A Terra está sob constante bombardeio de raios cósmicos, chuvas de partículas de alta energia que atingem nosso planeta de todas as direções a quase a velocidade da luz. Embora isso possa soar como o prelúdio de uma invasão alienígena de ficção científica, é um fenômeno real do qual os cientistas têm conhecimento há mais de um século. Apesar de sua descrição dramática, os raios cósmicos são na verdade bastante comuns – eles passam regularmente pelo nosso planeta, de modo que durante uma noite de sono média, uma pessoa tem cerca de um milhão de raios cósmicos atravessando o corpo.
Apesar de sua ubiquidade, os raios cósmicos ainda apresentam mistérios científicos. Enquanto os raios cósmicos de baixa energia que atingem a Terra são conhecidos por se originarem do sol, outros com energias mais altas fluem para o sistema solar do espaço profundo. As origens desses raios cósmicos extrasolares são menos conhecidas, com fontes suspeitas incluindo buracos negros e as explosões de supernovas que marcam as mortes de estrelas massivas.
“Os raios cósmicos estão sendo detectados aqui na Terra há mais de 100 anos. No entanto, sua origem ainda é amplamente desconhecida,” disse a professora de física e astronomia Julia Tjus por e-mail. “Essas pequenas partículas atingem energias que vão muito além do que podemos alcançar aqui na Terra. Estamos tentando resolver um enigma que já tem mais de 100 anos e juntar as peças lentamente, mas constantemente.”
Os raios cósmicos são correntes de partículas de alta energia que atingem a atmosfera da Terra a quase a velocidade da luz. Eles foram descobertos na década de 1900, e o termo “raios cósmicos” foi cunhado pelo físico Robert Millikan em 1925.
Desde então, os cientistas determinaram que trilhões de raios cósmicos atingem a Terra todos os dias, mas a grande maioria é bloqueada pelo magnetosfera e pela atmosfera do planeta.
Mais de 90% dos raios cósmicos são núcleos de hidrogênio (prótons únicos), 9% são os núcleos atômicos de hélio, e 1% são os núcleos de elementos pesados até o ferro. Esses são chamados de “partículas hadrônicas” porque são compostos de hádrons, como prótons e nêutrons, que são constituídos de partículas fundamentais chamadas quarks.
“Também há elétrons e pósitrons [as antipartículas dos elétrons] que nos chegam em raios cósmicos, mas em menor número do que as partículas hadrônicas. Esses são frequentemente chamados de elétrons cósmicos”, disse Tjus. “Às vezes, as pessoas também incluem as partículas neutras de alta energia – fótons e neutrinos – no termo raios cósmicos, mas na maioria das definições, essas são mantidas separadamente.”
O cerne do mistério dos raios cósmicos é como essas partículas podem atingir energias tão incríveis que as fazem acelerar até quase a velocidade da luz.
“Sabemos bem as energias dos raios cósmicos – o universo de alguma forma acelera partículas até 10²⁰ (1 seguido por 20 zeros) elétron-volts (eV)”, disse Tjus. “Em comparação, aceleradores terrestres, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, só podem acelerar partículas até 10¹³ eV, muitas ordens de magnitude menores do que o universo pode alcançar. O mecanismo de como acelerar partículas até essas energias extremas não é compreendido.”
Uma sugestão é que as partículas poderiam ser aceleradas a essas energias por uma frente de choque que é criada quando um material viajando a uma velocidade incrivelmente alta atinge um meio mais lento, criando uma mudança repentina neste último. Isso geraria um campo magnético turbulento que poderia atuar como um acelerador natural e poderoso de partículas cósmicas.
Uma possível forma de gerar tais condições seria em uma supernova, a explosão que ocorre quando uma estrela massiva morre. Esta explosão enviaria as camadas externas da estrela a velocidades incríveis até que este material estelar eventualmente atingisse o meio interestelar – nuvens de gás em movimento lento entre as estrelas – criando um remanescente de supernova brilhante.
“Os remanescentes de supernovas são candidatos razoáveis para raios cósmicos que vêm de dentro da Via Láctea. Há evidências de que os remanescentes de supernovas podem acelerar partículas até cerca de energias de GeV [cerca de 10⁹ a 10¹² eV]”, disse Tjus. “Nas energias mais altas, em torno de 10²⁰ eV, sabemos que essas partículas devem vir de outras galáxias.”
Ela disse que uma fonte razoável desses raios cósmicos de maior energia é núcleos galácticos ativos (AGN), os centros de galáxias ativas que são alimentados por buracos negros supermassivos com massas milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol.
Os buracos negros supermassivos AGN são cercados por matéria que eles gradualmente se alimentam, que também são giradas ao redor com sua imensa influência gravitacional, fazendo com que eles brilhem mais do que a luz combinada de todas as estrelas na galáxia circundante. A matéria nessas regiões que não é alimentada ao buraco negro supermassivo central pode ser canalizada para os polos do buraco negro, onde é expelida como jatos de matéria quase à velocidade da luz. Quando esses jatos atingem o material interestelar circundante, essa colisão também poderia gerar raios cósmicos.
Outra possível fonte de raios cósmicos poderia ser galáxias chamadas de “starburst” – ou seja, aquelas que estão passando por uma taxa excepcionalmente alta de formação estelar – que hospedam explosões de raios gama, disse Tjus.
Mas se os raios cósmicos vêm de alguns dos eventos mais violentos e conspícuos do universo, por que os astrônomos têm dificuldade em rastrear essas partículas carregadas até essas fontes?
Um motivo pelo qual é difícil encontrar as fontes de raios cósmicos é porque eles são feitos de partículas carregadas que são influenciadas por campos magnéticos. Quando essas partículas encontram campos magnéticos em suas longas jornadas pelo espaço para nos alcançar, elas são desviadas.
Então, quando os raios cósmicos extragalácticos alcançam a Terra depois de viajar milhões ou bilhões de anos-luz, eles foram desviados e redirecionados muitas vezes, ricocheteando pelo cosmos como uma bola em uma máquina de pinball celestial. Isso torna a reconstrução de seu caminho original quase impossível, mas pode haver uma maneira indireta de fazê-lo.
“Quando os raios cósmicos interagem com o gás, essas interações levam à produção de fótons e neutrinos. Essas são partículas neutras que viajam em linha reta e, portanto, podem revelar indiretamente a origem dos raios cósmicos,” explicou Tjus.
Atualmente, os raios cósmicos são estudados em uma ampla faixa de energias, de 10⁹ eV a 10²⁰ eV, com os cientistas examinando tudo, desde as composições dos raios cósmicos até suas direções preferidas no céu. Tjus acredita que, com uma combinação de modelagem 3D e medições precisas de neutrinos e fótons associados aos raios cósmicos, progressos podem ser feitos na compreensão de onde os raios cósmicos vêm e como são lançados com energias tão incríveis.
“O enigma dos raios cósmicos só pode ser resolvido juntando diferentes informações das diferentes mensagens observadas,” disse Tjus. “Até o momento, há uma grande variedade de observatórios que fornecem diferentes informações.”
