De onde vêm os raios cósmicos de alta energia? O último suspiro de uma estrela

Os raios gama deste remanescente de supernova têm sido vistos por telescópios desde 2007, mas a luz excepcionalmente energética não foi detectada até 2020, quando foi captada pelo Observatório HAWC no México, despertando o interesse dos cientistas em busca de PeVatrons galácticos. Quando os raios gama atingem nossa atmosfera, eles podem produzir chuvas de partículas carregadas que podem ser medidas por telescópios no solo. Com dados do HAWC, os cientistas foram capazes de trabalhar para trás e determinar que esses chuveiros vieram de raios gama emanados do remanescente de supernova. Mas eles não conseguiram dizer se a luz foi gerada por prótons ou elétrons velozes – que também podem irradiar raios gama, bem como raios-x de baixa energia e ondas de rádio.

Para provar que os prótons PeV eram os culpados, a equipe de pesquisa de Fang compilou dados em uma ampla gama de energias e comprimentos de onda que foram coletados por 10 observatórios diferentes na última década. Então eles se voltaram para simulações de computador. Ao ajustar diferentes valores, como a força do campo magnético ou a densidade da nuvem de gás, os pesquisadores tentaram reproduzir as condições necessárias para explicar todos os diferentes comprimentos de onda de luz que observaram. Não importa o que eles ajustassem, os elétrons não poderiam ser a única fonte. Suas simulações só corresponderiam aos dados de energia mais altos se incluíssem prótons PeV como fonte adicional de luz.

“Conseguimos excluir que essa emissão é predominantemente produzida por elétrons porque o espectro que obtivemos simplesmente não corresponderia às observações”, diz Henrike Fleischhack, astrônomo da Universidade Católica da América que tentou essa análise pela primeira vez há dois anos. apenas com o conjunto de dados HAWC. Fazer uma análise de vários comprimentos de onda foi fundamental, diz Fleischhack, porque permitiu que eles mostrassem, por exemplo, que aumentar o número de elétrons em um comprimento de onda levava a uma incompatibilidade entre dados e simulação em outro comprimento de onda – significando a única maneira de explicar o espectro completo de luz foi com a presença de prótons PeV.

“O resultado exigiu uma atenção muito cuidadosa ao orçamento de energia”, diz David Saltzberg, astrofísico da Universidade da Califórnia em Los Angeles que não esteve envolvido no trabalho. “O que isso realmente mostra é que você precisa de muitos experimentos e muitos observatórios para responder às grandes questões.”

Olhando para o futuro, Fang espera que mais PeVatrons remanescentes de supernovas sejam encontrados, o que os ajudará a descobrir se essa descoberta é única ou se todos os cadáveres estelares têm a capacidade de acelerar partículas a tais velocidades. “Esta pode ser a ponta do iceberg”, diz ela. Instrumentos promissores como o Cherenkov Telescope Array, um observatório de raios gama com mais de 100 telescópios sendo erguidos no Chile e na Espanha, podem até localizar PeVatrons além de nossa própria galáxia.

Saltzberg também acredita que os experimentos de próxima geração devem ser capazes de ver neutrinos (pequenas partículas neutras que também podem resultar quando os pions decaem) chegando de remanescentes de supernovas. Detectá-los com o Observatório de Neutrinos IceCube, que procura seus vestígios no Pólo Sul, seria ainda mais uma prova de que esses locais são PeVatrons porque indicaria a presença de píons. E Fang concorda: “Será fantástico se telescópios como o IceCube puderem ver neutrinos diretamente das fontes, porque os neutrinos são sondas limpas de interações de prótons – eles não podem ser feitos por elétrons”.

Em última análise, encontrar os PeVatrons do nosso universo é crucial para entender como as relíquias da morte estelar pavimentam o caminho para o nascimento de novas estrelas – e como as partículas de maior energia ajudam a alimentar esse ciclo cósmico. Os raios cósmicos influenciam a pressão e a temperatura, impulsionam os ventos galácticos e ionizam moléculas em regiões estelares férteis como remanescentes de supernovas. Algumas dessas estrelas podem formar seus próprios planetas ou um dia explodir em supernovas, iniciando o processo novamente.

“Estudar raios cósmicos é quase tão importante para entender as origens da vida quanto estudar exoplanetas ou qualquer outra coisa”, diz Kerr. “É tudo um sistema energético muito complicado. E só agora estamos começando a entendê-lo.”

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