Terra abalada por evento ultrapoderoso há dois anos!
Uma revelação inovadora foi relatada na estimada revista Science, detalhando uma extraordinária observação astronômica tornada possível através da utilização de um telescópio de última geração situado no terreno árido de Utah. No dia 27 de maio de 2021, este notável instrumento detectou o impacto de um raio cósmico na superfície do nosso planeta.
O planeta está constantemente exposto à radiação extraterrestre, que possui um nível de energia sem precedentes, atribuído à sua concentração numa região minúscula. Esta excepcional intensidade de energia supera qualquer outra ocorrência conhecida na Terra.
Uma partícula elucidativa de detritos, emblemática de uma ocorrência apocalíptica que ocorreu na expansão celestial há eras passadas, apresenta um enigma desconcertante para os físicos no que diz respeito à sua origem e linhagem.
A descoberta dos raios cósmicos
Em 1911, Victor Franz Hess, um físico austríaco-americano, fez uma descoberta inovadora sobre a radiação cósmica enquanto utilizava um balão de ar quente para subir a uma altitude de aproximadamente 5 quilómetros acima da superfície da Terra. Ao fazê-lo, procurou eliminar a interferência causada pela radiação terrestre resultante das emissões radioativas do nosso planeta. Empregando um “eletroscópio”, que é um aparelho projetado para medir o fluxo de partículas ionizantes, Hess determinou que o fluxo de partículas aumentava à medida que alguém se aventurava mais alto na atmosfera. Consequentemente, ele estabeleceu que a fonte dessas partículas era de natureza extraterrestre. Por seu trabalho pioneiro neste assunto, Hess recebeu o Prêmio Nobel de Física em 19
A superfície da Terra adquire consistentemente cerca de cem partículas carregadas por metro quadrado por segundo. Essas partículas são chamadas de “múons”, que são partículas elementares análogas aos elétrons em termos de carga e tamanho, mas possuem maior massa.
As partículas que constituem a radiação cósmica não são entidades primordiais originárias dos recantos mais íntimos do universo; pelo contrário, são partículas “secundárias” geradas como resultado de colisões instigadas na atmosfera terrestre por protões ou outros elementos nucleares substanciais que viajaram vastas distâncias. Após a sua descida até ao nosso planeta, apenas os múons e os neutrinos persistem, uma vez que a miríade de outras partículas produzidas desapareceu, quer através da decomposição, quer através de intercâmbios adicionais.
Uma chuva de partículas na atmosfera
O envelope atmosférico que circunda o nosso planeta possui uma espessura considerável, abrangendo várias dezenas de quilómetros de profundidade. Na verdade, pode-se equiparar isso a aproximadamente dez metros de água acima da cabeça. Consequentemente, existe uma quantidade substancial de material, em que quaisquer prótons que chegam são obrigatoriamente engajados durante sua ascensão. Normalmente, essas interações ocorrem nas regiões mais altas da atmosfera, que ficam aproximadamente a uma altitude de vinte quilômetros.
Em estudos experimentais conduzidos em ambientes controlados, como os encontrados no CERN, o comportamento das partículas subatômicas é examinado minuciosamente. Através de tais investigações, foi observado que quando um próton passa através de um meio material, inicialmente dá origem a uma variedade de partículas secundárias, incluindo píons e kaons, que subsequentemente sofrem novas interações entre si. Como resultado, ocorre uma intrincada série de colisões de partículas, dando origem ao que os cientistas chamam de “chuva de partículas”.
Simulamos a trajetória dos prótons na atmosfera terrestre até as energias encontradas nos aceleradores de partículas, além das quais utilizamos simulações computacionais. Consequentemente, estes campos de radiação cósmica estendem-se por vastas distâncias, atingindo alturas de cerca de dez quilómetros acima do nível do mar. À medida que os níveis de energia destes raios cósmicos aumentam, também aumenta a abundância de partículas secundárias geradas pela sua interação com a atmosfera da Terra. Na verdade, nas energias mais elevadas em discussão, estas cascatas podem consistir em milhares de milhões de partículas secundárias, que subsequentemente cobrem extensas áreas da superfície do planeta. Ao detectar tais eventos, os cientistas podem rastrear as origens das partículas primárias responsáveis por iniciar estes processos complexos.
Diagrama de uma cascata atmosférica produzida por um próton.//Fonte: Beetjedwars, Lacosmo, ComputerHotline
Um telescópio gigantesco no meio do deserto
Para compreender o fenómeno das chuvas atmosféricas, é necessário mergulhar nas reflexões filosóficas de Platão e na sua crença de que o conhecimento surge da interpretação das sombras projetadas no chão da caverna. Da mesma forma, a ciência moderna necessita da extracção de informações sobre os raios cósmicos responsáveis por estas chuvas, examinando o seu impacto no nosso planeta.
Foram observadas ocorrências extremamente raras de níveis excepcionalmente elevados de energia, com um evento particular tendo sido reconstruído para possuir uma energia surpreendente de 244 exaelétron-volts (244 multiplicado por 10 ^ 18 elétron-volts). Além disso, prevê-se que a intensidade de radiação associada será de aproximadamente uma instância por século e por quilómetro quadrado. Neste contexto, as medições de energia são expressas em termos de elétron-volts e seus múltiplos correspondentes, em que cada elétron-volt representa a quantidade de energia ganha por um elétron dentro de uma diferença de potencial de um volt-uma quantidade minúscula que, quando convertida em unidades convencionais, equivale a 1,6 multiplicado por 10^-19 joules.
Doravante, para termos a oportunidade de descobrir algumas destas ocorrências pouco frequentes, é imperativo que construamos um enorme telescópio através da maximização da instrumentação de uma vasta área de superfície.
O Telescope Array, utilizado para esta observação específica, está situado no deserto de Utah, posicionado geograficamente no centro dos Estados Unidos contíguos. Composto por um conjunto em forma de grade de 507 estações individuais, cada uma medindo três metros quadrados e construídas a partir de “cintiladores de plástico”, projetados para responder à passagem de partículas. Estas estações estão uniformemente dispersas numa distância de um ponto a dois quilómetros de distância, resultando numa região colectivamente sensível que abrange setecentos quilómetros quadrados. Além de seus componentes terrestres, o Telescope Array se beneficia de detectores de fluorescência direcionados à esfera celeste. Capaz de detectar trilhas luminescentes correspondentes a chuvas atmosféricas que ocorrem durante noites sem lua
A força dos sinais recebidos oferece informações sobre o evento da chuva, permitindo a determinação da energia associada ao raio cósmico, bem como a estimativa da sua trajetória de entrada através da análise de discrepâncias de tempo registadas em múltiplos observatórios terrestres. A incerteza estimada neste processo é de aproximadamente 1,5 graus.
O evento ultraenergético de 27 de maio de 2021
A detecção do evento publicado resultou na ativação de 23 detectores vizinhos dentro do telescópio, abrangendo uma área aproximada de 30 quilómetros quadrados. A maioria das partículas detectadas foi identificada como múons, o que descartou a possibilidade de a partícula inicial ser um fóton, visto que os fótons normalmente produzem chuvas eletromagnéticas constituídas por partículas distintas daquelas esperadas para um próton. No entanto, apesar da realização de uma análise abrangente da composição da chuva detectada, permaneceu inconclusivo se a partícula era um próton puro ou uma espécie nuclear mais pesada.
A reconstrução da energia de 244 Exa-eV apresenta uma margem de erro relativa de aproximadamente 25%, o que representa uma magnitude extraordinária de energia-trinta milhões de vezes maior que a quantidade de energia obtida pelo Grande Colisor de Hádrons do CERN para a descoberta de o bóson de Higgs. Em termos de medições contemporâneas, isto equivale a cerca de quarenta joules, comparável à energia cinética gerada por um saque poderoso de um tenista de primeira linha durante uma competição de prestígio. Essa energia substancial, distribuída por uma entidade microscópica, como um próton, com dimensões não superiores a 10^-15 metros, é verdadeiramente surpreendente e notável.
O mistério da origem deste raio cósmico
Aristóteles acreditava que o universo era imutável e eterno, enquanto a terra era impermanente. No entanto, a descoberta dos raios cósmicos demonstrou que o universo está em constante fluxo. Astrônomos contemporâneos observaram numerosos eventos cataclísmicos ocorrendo na esfera celeste, como buracos negros consumindo estrelas próximas, colisão de galáxias e fusão de estrelas binárias. Apesar destes fenómenos tumultuosos, continua a ser uma fonte de admiração para muitos contemplar a beleza tranquila de uma noite estrelada de verão.
A referida publicação detalha um acontecimento extraordinário; no entanto, as implicações do referido evento permanecem enigmáticas e requerem maior elucidação para uma compreensão completa.
A energias tão elevadas, os protões são incapazes de atravessar vastas distâncias interestelares devido à sua propensão para interagir com fotões de baixa energia presentes na radiação remanescente do Big Bang, conhecida como radiação cósmica de fundo. A presença onipresente dessa radiação, que constitui aproximadamente 400 fótons por centímetro cúbico, dota cada partícula de uma energia extremamente minúscula de 10^-4 elétron-volts. No entanto, se um protão encontrar um destes fotões de baixa energia, sofrerá conversão noutras partículas, abandonando assim a sua energia cinética original. Este fenômeno é conhecido como ponto de corte Greisen-Zatsepin-Kuzmin ou ponto de corte GZK. Embora possamos detectar
Para que o raio cósmico estudado possa atravessar o meio intergaláctico, ele deve ter sido gerado a uma distância de 100 megaparsecs da Terra, que está situada na nossa vizinhança imediata e abrange apenas aproximadamente um por cento de todo o universo.
Desde o seu início em 2008, a experiência “Telescope Array” detectou um total de 28 eventos com energias superiores a 100 Exa-eV. Esses eventos exibem uma distribuição isotrópica pelo céu, indicando que se originam em várias direções. Consequentemente, continua a ser um desafio identificar inequivocamente as suas fontes específicas.
A verdadeira origem e causas deste raio cósmico são desconhecidas.//Fonte: Good Free Photos (foto recortada)
À luz da ocorrência do Evento 244 Exa-eV, é digno de nota que a trajetória da radiação cósmica associada sugere uma ausência de matéria numa determinada região do universo em vasta escala. Esta descoberta é um tanto inesperada, dada a falta de qualquer corpo celeste aparente ou outro fenômeno observável dentro da área especificada que possa explicar de forma plausível a emissão de energia detectada.
Dado que as partículas iniciais em questão possuem carga, seria possível que campos magnéticos cósmicos ou extragalácticos não identificados alterassem a trajetória do raio à medida que viajava, resultando num desvio do seu curso original? Vale a pena notar que quaisquer forças de campo familiares provavelmente seriam insuficientes para explicar este fenômeno.
Uma interpretação alternativa e mais ousada foi sugerida pelo artigo, sugerindo que um raio cósmico que parece violar o limite GZK pode significar um fenômeno imprevisto no domínio da física de partículas. Isto representa o que chamamos de “Nova Física”, um conceito invocado quando os resultados experimentais divergem da compreensão convencional.
Para progredir, é necessário estender nossas medições para uma área maior ou esperar um tempo excessivo. Uma abordagem mais prática seria explorar métodos de detecção inovadores. Felizmente, os esforços de investigação estão a ser direcionados para a identificação de chuvas através dos sinais de ondas de rádio emitidos, como no caso do projeto GRAND, e para a sua observação em órbita utilizando instrumentos como o EUSO.
A história não está encerrada.
François Vannucci é um renomado professor de física de partículas e pesquisa de neutrinos na Universidade Paris Cité. Como um respeitado estudioso e especialista em sua área, ele fez contribuições significativas para a nossa compreensão das partículas subatômicas e seu comportamento.
O conteúdo a seguir foi reproduzido através de uma licença Creative Commons, conforme publicado originalmente em The Conversation. Para mais informações sobre a publicação original, consulte o hiperlink fornecido.
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