A origem enigmática dos raios cósmicos mais energéticos ⚡
Os raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECR) superam em potência tudo o que o homem pode produzir em laboratório. Sua descoberta remonta a mais de 60 anos, mas sua origem exata permanece um mistério. Glennys Farrar, física da New York University, propõe uma explicação inédita ligada às fusões de estrelas de nêutrons.
Segundo a teoria de Farrar, essas partículas seriam aceleradas nos fluxos magnéticos turbulentos resultantes da fusão de estrelas de nêutrons. Esse processo, que precede a formação de um buraco negro, também gera ondas gravitacionais. Estas já foram detectadas pelas colaborações LIGO-Virgo, oferecendo uma pista de validação.
A teoria explica duas características enigmáticas dos UHECR: sua energia extrema e a correlação entre essa energia e sua carga elétrica. Ela sugere que as partículas mais energéticas provêm de elementos raros, como xenônio ou telúrio, formados durante essas fusões.
Esse avanço abre novas perspectivas para a pesquisa cósmica. Ele relaciona fenômenos astrofísicos importantes, como as rajadas gama curtas, à produção de elementos raros. Futuras observações poderiam confirmar esse modelo, buscando neutrinos de muito alta energia associados às ondas gravitacionais.
O estudo, publicado na Physical Review Letters, baseia-se em simulações computacionais avançadas. Mostra como os campos magnéticos, amplificados durante a fusão, podem estruturar jatos capazes de acelerar os UHECR. Esses trabalhos utilizam dados coletados por diversos observatórios ao redor do mundo.
Estas imagens mostram a fusão de duas estrelas de nêutrons simulada com um novo modelo em supercomputador. As cores vermelhas indicam as áreas de menor densidade. As fitas e linhas verdes e brancas representam os campos magnéticos. As estrelas perdem energia rapidamente por ondas gravitacionais e se fundem em menos de 8 milissegundos. O campo magnético é então amplificado e desorganizado. Um buraco negro se forma, e o campo magnético se torna mais estruturado, podendo sustentar os jatos responsáveis pelas rajadas gama curtas.
Crédito: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla.
Farrar destaca a importância dessa descoberta para compreender o universo. Oferece um marco teórico testável, que poderia unificar vários campos da astrofísica. Os próximos anos serão cruciais para validar ou refutar essa hipótese, com a melhoria dos detectores de ondas gravitacionais e raios cósmicos.
Como as fusões de estrelas de nêutrons produzem elementos raros?
As fusões de estrelas de nêutrons são fábricas cósmicas que produzem elementos raros e pesados como ouro ou platina. Esse processo, chamado captura rápida de nêutrons (processo-r), ocorre em condições extremas de densidade e temperatura.
Durante a fusão, nêutrons são liberados em grande quantidade e capturados por núcleos atômicos. Isso leva à formação de isótopos instáveis que depois decaem em elementos estáveis. Essas reações nucleares são tão rápidas que não podem ocorrer em estrelas comuns.
Os elementos assim criados são então dispersos no espaço pelas ondas de choque da fusão. Eles enriquecem o meio interestelar, contribuindo para a composição química das futuras gerações de estrelas e planetas. Esse mecanismo explica por que esses elementos são relativamente raros no universo.
Qual é o papel dos campos magnéticos nas fusões de estrelas de nêutrons?
Os campos magnéticos desempenham um papel crucial nas fusões de estrelas de nêutrons. Inicialmente, cada estrela possui seu próprio campo magnético, muitas vezes muito intenso. Durante a fusão, esses campos se entrelaçam e se amplificam sob o efeito da turbulência.
Essa amplificação pode atingir níveis extremos, criando estruturas magnéticas complexas. Essas estruturas são capazes de acelerar partículas a energias fenomenais, como os UHECR. Também podem canalizar parte da energia da fusão na forma de jatos, responsáveis pelas rajadas gama curtas.
Após a formação do buraco negro, o campo magnético se reorganiza ao seu redor. As simulações numéricas recentes permitem entender melhor esses processos dinâmicos e suas assinaturas observáveis.