Estes resultados, publicados na Nature Communications, trazem uma nova luz sobre o papel dos aglomerados estelares na aceleração de raios cósmicos, participando da redistribuição de matéria em escala galáctica e, assim, da formação de novas estrelas.
Observação no infravermelho, obtida pelo telescópio espacial James Webb; estrelas massivas e brilhantes destacadas com seis grandes picos de difração, bem como o gás em vermelho.
ESA/Webb, NASA & CSA, M. Zamani (ESA/Webb), M. G. Guarcello (INAF-OAPA) and the EWOCS team
A mais de 13.000 anos-luz da Terra, o aglomerado estelar Westerlund 1 está no radar dos astrofísicos há décadas. Este aglomerado muito jovem da Via Láctea - apenas 4 milhões de anos em comparação com os 4,5 bilhões de anos do sol - concentra em um diâmetro de apenas seis anos-luz centenas de estrelas massivas*, cuja potência combinada gera um poderoso vento de partículas elementares: os raios cósmicos.
Uma colaboração entre o LP2iB e o Instituto Max-Planck, baseando-se em uma combinação de dados do satélite Fermi da NASA e da rede de telescópios terrestres H.E.S.S., acaba de demonstrar, pela primeira vez, que este vento de partículas cataclísmico consegue escapar do aglomerado na forma de um fluxo de partículas, que poderia eventualmente sair do disco galáctico para alimentar o halo galáctico e assim participar da evolução química da galáxia.
Sabe-se há três anos que Westerlund-1, que concentra o equivalente em massa a 100.000 sóis, atua como um acelerador de partículas natural, contribuindo para a aceleração dos raios cósmicos, compostos principalmente de prótons e uma pequena quantidade de núcleos mais pesados, mas também de elétrons.
A descoberta pelos telescópios H.E.S.S. em 2022 de uma radiação gama englobando Westerlund-1, com energia próxima dos teraelectronvolts (TeV), havia de fato revelado a presença de elétrons acelerados a velocidades vertiginosas nas margens externas do aglomerado pelos ventos magnéticos coletivos de suas numerosas estrelas massivas.
São de fato os raios gama gerados pela interação entre os elétrons e os fótons, por meio de um processo denominado "espalhamento Compton inverso", que são detectados indiretamente pela rede de telescópios H.E.S.S., permitindo aos cientistas deduzir a presença dos raios cósmicos. Mas uma particularidade intrigava os pesquisadores: essa radiação não aparecia apenas na forma de um anel ao redor do aglomerado, mas também como uma extensão em "cauda", direcionada para fora do plano galáctico.
"Foi nesse contexto que trabalhei com o Instituto Max-Planck," explica Marianne Lemoine, pesquisadora do LP2I Bordeaux e autora principal do artigo. Eles queriam que eu estudasse essa observação do H.E.S.S. à luz dos dados do satélite Fermi, que também havia observado fontes gama nas proximidades do Westerlund-1. Efetivamente, o Fermi detectou emissões gama na faixa dos gigaelectronvolts (GeV) em uma região que se estende muito além do aglomerado, até várias centenas de anos-luz além. Eu então demonstrei que essas emissões gama não vinham de fontes isoladas, mas deveriam ser entendidas como um único e mesmo fenômeno. Que se trata, na verdade, da prolongação da radiação gama detectada pelo H.E.S.S., escapando do aglomerado na forma de um fluxo de partículas que se propaga no meio interestelar por mais de 500 anos-luz".
Após essa análise, a equipe do Instituto Max-Planck se dedicou a modelar os fenômenos em ação nessa longa esteira de radiação. De acordo com seu modelo, os elétrons acelerados nas margens do aglomerado são propulsionados para fora dele, perpendicularmente ao plano da galáxia, em direção ao halo galáctico. Os elétrons mais energéticos perdem rapidamente sua energia e, portanto, são visíveis apenas nas imediações do aglomerado, onde produzem a radiação gama de alta energia (na faixa do TeV) detectada pelo H.E.S.S.
Mais longe do aglomerado, são detectados apenas elétrons que já perderam parte de sua energia: são eles que dão origem à emissão gama mais difusa observada pelo Fermi. Essa modelagem do fluxo de raios cósmicos recebeu uma confirmação adicional quando o estudo do gás interestelar nessa região da galáxia revelou uma zona empobrecida em matéria, como se o fluxo de elétrons tivesse literalmente soprado a matéria ao redor.
Os elétrons cósmicos são acelerados no nível do choque terminal do vento cósmico (em rosa). Os elétrons de alta energia perdem rapidamente sua energia e emitem raios gama TeV medidos pelo H.E.S.S.. Os elétrons de menor energia são transportados ao longo do fluxo de saída e geram raios gama GeV detectados pelo Fermi-LAT.
"Com o H.E.S.S. e o Fermi, só podemos detectar indiretamente os elétrons, que produzem os raios gama. Os prótons permanecem invisíveis aqui, porque a região ao redor do aglomerado é muito pobre em matéria: os prótons só podem interagir com outros prótons, e pela falta de alvos suficientes, eles não produzem um sinal detectável," acrescenta Marianne Lemoine. "No entanto, é muito provável que esse fluxo, se conseguisse continuar sua propagação até o halo galáctico, acabaria se unindo a outras regiões do plano galáctico, contribuindo assim para a redistribuição de matéria na Via Láctea e, consequentemente, para a formação de novas estrelas e novos aglomerados".
Esta análise combinada dos dados do Fermi e do H.E.S.S. representa, portanto, um grande avanço para entender como as galáxias se autorregulam e evoluem ao longo do tempo. As próximas observações do Observatório CTAO, em construção no Chile e nas Ilhas Canárias, permitirão determinar se o Westerlund-1 constitui um caso único na galáxia ou um modelo representativo de muitos outros aglomerados massivos no Universo.
Nota:
* Na vizinhança do sol, encontra-se em média menos de uma estrela no mesmo volume.