Um século após sua descoberta, os raios cósmicos – essas partículas de energia extrema provenientes dos confins do universo – continuam sendo um mistério para os cientistas. O telescópio espacial DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) enfrenta esse fenômeno, explorando particularmente o papel que a matéria escura pode desempenhar em sua formação.
Os raios cósmicos são compostos principalmente por prótons, mas também por núcleos de hélio, carbono, oxigênio e ferro.
© Chinese Academy of Science
Essa missão internacional, que inclui a Universidade de Genebra (UNIGE), alcança hoje um avanço importante ao evidenciar uma característica universal desses raios. Esses resultados são publicados na revista Nature.
Os raios cósmicos são as partículas mais energéticas observadas no universo, superando em muito a energia das partículas produzidas por aceleradores artificiais na Terra. Sua origem exata ainda está sendo estudada e acredita-se que eles venham de fenômenos astrofísicos extremos, como supernovas, jatos de buracos negros ou pulsares.
O telescópio espacial DAMPE, lançado em dezembro de 2015, deve trazer respostas sobre a origem e a natureza dos raios cósmicos. Essa missão espacial, da qual o grupo de física de astropartículas do Departamento de Física Nuclear e Corpuscular (DPNC) da UNIGE é um dos principais contribuidores, relata hoje um avanço crucial.
Graças à análise das medições de alta precisão coletadas pelo telescópio, os cientistas conseguiram evidenciar uma característica universal nos espectros de energia dos núcleos de raios cósmicos primários, desde prótons até ferro.
"Os raios cósmicos são compostos principalmente por prótons, mas também por núcleos de hélio, carbono, oxigênio e ferro", explica Andrii Tykhonov, professor associado ao Departamento de Física Nuclear e Corpuscular da Seção de Física da Faculdade de Ciências da UNIGE, coautor do estudo.
"Esses raios também são distribuídos de acordo com sua energia: baixa, até alguns bilhões de elétron-volts; intermediária, de alguns bilhões a várias centenas de bilhões de elétron-volts; e alta, de 1.000 bilhões de elétron-volts e além."
Esses resultados constituem um passo importante rumo a uma compreensão mais completa da origem dos raios cósmicos e dos mecanismos que governam sua propagação.
Uma nova característica comum
Os resultados mostram que, para todos os núcleos estudados, o número de partículas diminui cada vez mais rapidamente além de um certo valor. Esse fenômeno é chamado de "suavização espectral". Normalmente, o número de partículas já diminui à medida que a energia aumenta, mas aqui essa diminuição se torna ainda mais acentuada. Ela ocorre em torno de uma rigidez de aproximadamente 15 TV (teravolts).
A rigidez de uma partícula mede a resistência de sua trajetória diante de um campo magnético. A observação de uma estrutura comum nessa rigidez apoia fortemente os modelos que explicam que a aceleração e o transporte dos raios cósmicos dependem da rigidez das partículas.
Por outro lado, modelos alternativos, que sugerem que a energia por núcleon (a energia dividida pelo número de núcleons na partícula) seria um fator-chave, são fortemente invalidados por essas medições, com uma certeza de 99,999%.
A equipe de Genebra desempenhou um papel central nesse avanço científico. Ela desenvolveu técnicas avançadas de inteligência artificial para a reconstrução dos eventos detectados e contribuiu para medições-chave dos fluxos de prótons e hélio, bem como para a análise do carbono.
O grupo também liderou o desenvolvimento de um dos principais subdetectores do DAMPE, o Silicon-Tungsten Tracker (STK), um instrumento essencial para a reconstrução precisa das trajetórias das partículas e a medição de sua carga.
Esses resultados constituem um passo importante rumo a uma compreensão mais completa da origem dos raios cósmicos e dos mecanismos que regem sua propagação na Galáxia. Eles trazem novas restrições experimentais sobre modelos de aceleração em fontes astrofísicas e sobre o transporte de partículas no meio interestelar, abrindo caminho para uma descrição mais precisa das populações de partículas de alta energia.