DAMPE revela um limite universal de 15 teravolts nos raios cósmicos

Partículas de raios cósmicos aparecem em tamanhos muito distintos. Prótons são leves, enquanto núcleos de ferro são bem mais pesados. Por muito tempo, cientistas partiram da ideia de que, conforme a energia aumenta, partículas mais pesadas teriam um comportamento diferente das leves: massas diferentes, limites diferentes.

Agora, um satélite passou nove anos acompanhando essas partículas em órbita, e os dados mais recentes colocam essa suposição em xeque.

O que se vê é que todo tipo de núcleo - do mais leve ao mais pesado - apresenta uma queda acentuada exatamente no mesmo ponto. Esse padrão pode ser uma pista importante sobre a origem desses raios.

Um enigma de um século

Raios cósmicos são partículas de altíssima energia que atravessam o espaço a velocidades próximas à da luz. As mais rápidas carregam mais energia do que qualquer coisa que conseguimos produzir na Terra, inclusive partículas geradas no Grande Colisor de Hádrons.

A maior parte delas é formada por prótons ou por núcleos atómicos mais pesados, despojados dos eletrões e reduzidos ao “núcleo nu”.

“Os raios cósmicos são compostos principalmente por prótons, mas também por núcleos de hélio, carbono, oxigénio e ferro”, afirmou Andrii Tykhonov, professor associado da Universidade de Genebra (UNIGE).

O estudo desses raios começou a ganhar forma em 1912, quando o físico Victor Hess percebeu que a intensidade aumentava com a altitude. Para demonstrar isso, ele subiu num balão até 5.180 metros.

Mesmo depois de décadas de investigação, questões centrais continuam abertas. De que maneira essas partículas extremamente energéticas são aceleradas a níveis tão altos - e, mais importante, de onde exatamente elas vêm?

Tykhonov está entre os cientistas que procuram responder a essas perguntas.

Acompanhando partículas cósmicas

O instrumento usado nessa pesquisa é o telescópio espacial DAMPE, sigla de Explorador de Partículas de Matéria Escura (Dark Matter Particle Explorer).

Desde o lançamento, em dezembro de 2015, ele segue em órbita da Terra e regista as partículas à medida que elas atingem a pilha de detetores.

O projeto é liderado pela China e conta com componentes essenciais desenvolvidos, em parte, pela equipa de Tykhonov em Genebra. O equipamento consegue determinar a direção de deslocamento e a carga elétrica de cada partícula.

Sem essas medições, diferenciar um próton ultrarrápido de um núcleo de ferro igualmente rápido seria, na prática, um palpite. O novo trabalho utiliza nove anos de dados de alta qualidade.

Onde o espectro muda de inclinação

Quando se representa a quantidade de raios cósmicos em função da energia, obtém-se um espectro. Partículas de menor energia são abundantes, as de maior energia são raras, e a curva diminui continuamente conforme a energia cresce - algo conhecido há décadas.

No entanto, a partir de uma certa energia, essa diminuição passa a ser ainda mais abrupta. A linha “entorta” para baixo mais depressa do que antes, e há menos partículas do que o esperado.

Os físicos chamam isso de suavização espectral. O DAMPE observou esse efeito de forma nítida em todos os núcleos de raios cósmicos, desde prótons leves até ferro, muito mais pesado.

No caso dos elementos pesados, trata-se da primeira medição direta.

Limite cósmico universal

A grande surpresa é que essa mudança acontece no mesmo ponto para todos os núcleos. Não é a mesma energia em si, e sim a mesma rigidez - uma medida de quão facilmente campos magnéticos conseguem curvar a trajetória de uma partícula.

Ao converter energia em rigidez, prótons, hélio, carbono, oxigénio e ferro passam a cair mais rapidamente por volta de 15 teravolts. Uma análise anterior já tinha sugerido esse comportamento apenas para prótons.

Massas diferentes, cargas diferentes, propriedades diferentes - e, ainda assim, o espectro quebra num único ponto comum. Agora, esse padrão aparece em todas as espécies medidas.

Carga ou massa

Existem duas correntes principais para explicar a origem dos raios cósmicos. Uma defende que o teto de energia depende da carga elétrica da partícula - ou seja, do quanto os campos magnéticos conseguem “segurá-la” durante a aceleração.

A outra propõe que o limite depende da massa. Ao longo da viagem pelo gás interestelar, núcleos diferentes interagem de maneiras diferentes. Dois modelos, duas previsões bem distintas sobre onde a curva deveria quebrar.

Os novos dados favorecem a hipótese baseada em carga e descartam a versão dependente de massa com confiança superior a 99.999%. Um século de hipóteses concorrentes ficou mais próximo de um desfecho após nove anos em órbita.

IA refaz as trajetórias

Desvendar o percurso de um único raio cósmico através de camadas de silício e tungsténio está longe de ser simples. O que chega ao detetor é um emaranhado de partículas secundárias produzidas no impacto, e a direção original precisa ser reconstruída a partir desses fragmentos.

Para isso, a equipa de Genebra desenvolveu um sistema de aprendizagem profunda. Primeiro, ele foi treinado com colisões simuladas e, depois, aplicado aos dados reais.

Os investigadores também perseguiram núcleos raros de ferro, que aparecem muito menos do que prótons. Separar ferro de milhares de milhões de “parentes” mais leves exige calibração cuidadosa e verificações meticulosas. O ganho foi obter o primeiro sinal claro de suavização já medido para ferro nessas energias.

Rastreando a origem no cosmos

Então, o que faz a curva mudar por volta de 15 teravolts? A interpretação mais direta é que o acelerador cósmico responsável por lançar essas partículas só consegue levá-las até um certo valor de rigidez.

Há quase um século, explosões de supernovas são a principal suspeita. As ondas de choque podem acelerar átomos ionizados a energias extremas, e existem evidências robustas desse processo em remanescentes individuais.

A equipa do DAMPE sugere que a quebra pode estar ligada a uma única fonte relativamente próxima. Poderia ser uma supernova antiga, cujo halo remanescente ainda envolve o Sistema Solar hoje.

O que muda agora

A partir de agora, os pesquisadores podem apontar um valor específico - cerca de 15 teravolts - como o ponto em que aceleradores de raios cósmicos atingem o seu teto. Com isso, toda uma família de modelos dependentes de massa é descartada.

Daqui em diante, a busca fica mais focada. Teóricos que modelam remanescentes de supernovas, pulsares e a vizinhança cósmica ao redor do nosso Sistema Solar passam a ter um alvo mais preciso para ajustar.

A próxima geração de detetores saberá exatamente em que região do espectro procurar - e que tipo de assinatura de fonte deve aparecer ali.