O conceito deste artista mostra todo o céu em raios gama com círculos magenta ilustrando a incerteza na direção de onde parecem estar chegando mais raios gama de alta energia do que a média. Nesta visão, o plano da nossa galáxia atravessa o meio do mapa. Os círculos delimitam regiões com 68% (interna) e 95% de chance de conter a origem desses raios gama. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
NASAOs dados do Telescópio Fermi revelaram um surpreendente sinal de raios gama fora da nossa galáxia, potencialmente ligado às partículas cósmicas mais energéticas, e sugerindo fenómenos cósmicos novos e não identificados.
Astrônomos que analisaram 13 anos de dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA encontraram uma característica inesperada e ainda inexplicável fora da nossa galáxia.
“É uma descoberta completamente fortuita”, disse Alexander Kashlinsky, cosmólogo da Universidade de Maryland e do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, que apresentou a pesquisa na 243ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Nova Orleans. “Encontramos um sinal muito mais forte, e numa parte do céu diferente daquela que procurávamos.”
Sinal de raios gama e mistério cósmico
Curiosamente, o sinal de raios gama é encontrado numa direção semelhante e com uma magnitude quase idêntica a outra característica inexplicável, produzida por algumas das partículas cósmicas mais energéticas já detectadas.
Um artigo descrevendo as descobertas foi publicado em 10 de janeiro no O Cartas de diários astrofísicos.
Os cientistas combinaram 13 anos de observações de raios gama acima de cerca de 3 bilhões de elétron-volts (GeV) pelo Telescópio Fermi de Grande Área, removeram todas as fontes discretas e eliminaram o plano central de nossa Terra. via Láctea galáxia, a fim de analisar o fundo extragaláctico de raios gama. A análise dos dados resultantes revelou uma parte do céu onde chegam mais raios gama de alta energia do que a média. A direção não é conhecida com precisão. Os círculos mostram regiões onde há 68% e 95% de chance de conter a origem desses raios gama para uma abordagem de análise. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
Investigando o Fundo Cósmico de Microondas
A equipe estava procurando por uma característica de raios gama relacionada ao CMB (microondas cósmica de fundo), a luz mais antiga do universo. Os cientistas dizem que a CMB teve origem quando o universo quente e em expansão arrefeceu o suficiente para formar os primeiros átomos, um evento que libertou uma explosão de luz que, pela primeira vez, poderia permear o cosmos. Ampliada pela subsequente expansão do espaço ao longo dos últimos 13 mil milhões de anos, esta luz foi detectada pela primeira vez na forma de microondas fracas por todo o céu em 1965.
Estrutura dipolo no CMB
Na década de 1970, os astrônomos perceberam que a CMB tinha a chamada estrutura dipolo, que mais tarde foi medida com alta precisão pelo COBE da NASA (Explorador de fundo cósmico) missão. A CMB é cerca de 0,12% mais quente, com mais microondas do que a média, em direção à constelação de Leão, e mais fria na mesma quantidade, com menos microondas do que a média, na direção oposta. Para estudar as pequenas variações de temperatura dentro do CMB, este sinal deve ser removido. Os astrónomos geralmente consideram o padrão como resultado do movimento do nosso próprio sistema solar em relação à CMB a cerca de 370 quilómetros por segundo.
Este movimento dará origem a um sinal dipolo na luz proveniente de qualquer fonte astrofísica, mas até agora a CMB é a única que foi medida com precisão. Ao procurarem o padrão noutras formas de luz, os astrónomos poderão confirmar ou desafiar a ideia de que o dipolo se deve inteiramente ao movimento do nosso Sistema Solar.
“Essa medição é importante porque um desacordo com o tamanho e a direção do dipolo CMB poderia nos fornecer um vislumbre dos processos físicos que operam no universo muito primitivo, potencialmente de volta a quando ele tinha menos de um trilionésimo de segundo de idade”, disse o co-autor Fernando Atrio-Barandela, professor de física teórica na Universidade de Salamanca, na Espanha.
A equipa estava à procura de um sinal de raios gama relacionado com o movimento do nosso Sistema Solar de cerca de 370 quilómetros por segundo em relação à CMB, que é amplamente considerado responsável pela emissão dipolo que apresenta. Em vez disso, o que encontraram foi um sinal de raios gama 10 vezes mais forte do que o esperado do movimento da nossa galáxia e localizado longe do dipolo CMB. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
Dipolo de raios gama surpreende pesquisadores
A equipe concluiu que, ao somar muitos anos de dados do LAT (Large Area Telescope) do Fermi, que varre todo o céu muitas vezes ao dia, um padrão de emissão dipolo relacionado poderia ser detectado em raios gama. Graças aos efeitos da relatividade, o dipolo de raios gama deveria ser amplificado até cinco vezes em relação aos CMB atualmente detectados.
Os cientistas combinaram 13 anos de observações do Fermi LAT de raios gama acima de cerca de 3 bilhões de elétron-volts (GeV); para efeito de comparação, a luz visível tem energias entre cerca de 2 e 3 elétron-volts. Eles removeram todas as fontes resolvidas e identificadas e retiraram o plano central da nossa galáxia, a Via Láctea, a fim de analisar o fundo extragaláctico de raios gama.
“Encontramos um dipolo de raios gama, mas o seu pico está localizado no céu meridional, longe do CMB, e a sua magnitude é 10 vezes maior do que esperaríamos do nosso movimento”, disse o co-autor Chris Shrader, astrofísico. na Universidade Católica da América em Washington e em Goddard. “Embora não seja o que procurávamos, suspeitamos que possa estar relacionado com uma característica semelhante relatada para os raios cósmicos de maior energia.”
Os raios cósmicos são partículas carregadas aceleradas – principalmente prótons e núcleos atômicos. As partículas mais raras e energéticas, chamadas UHECRs (raios cósmicos de energia ultra-alta), transportam mais de mil milhões de vezes a energia dos raios gama de 3 GeV, e as suas origens continuam a ser um dos maiores mistérios da astrofísica.
Acima: Um mapa de raios gama extragalácticos de todo o céu, no qual o plano central da nossa galáxia, mostrado em azul escuro onde os dados foram removidos, atravessa o meio. O ponto vermelho e os círculos indicam a direção aproximada de onde parecem estar chegando mais raios gama do que a média. Abaixo: Um mapa semelhante de todo o céu mostrando a distribuição de raios cósmicos de energia ultra-alta detectados pelo Observatório Pierre Auger na Argentina. Vermelho indica direções de onde chegam números de partículas maiores que a média, azul indica direções com menos partículas que a média. Este vídeo sobrepõe o mapa de Fermi ao mapa de raios cósmicos, ilustrando a semelhança das direções dos dipolos. Crédito: Kashlinsky et al. 2024 e a Colaboração Pierre Auger
Ligando Raios Gama e Raios Cósmicos
Desde 2017, o Observatório Pierre Auger, na Argentina, relatou um dipolo na direção de chegada dos UHECRs. Sendo eletricamente carregados, os raios cósmicos são desviados pelo campo magnético da galáxia em diferentes quantidades, dependendo de suas energias, mas o dipolo UHECR atinge o pico em uma localização no céu semelhante ao que a equipe de Kashlinsky encontra nos raios gama. E ambos têm magnitudes surpreendentemente semelhantes – cerca de 7% mais raios gama ou partículas do que a média vindos de uma direção e quantidades correspondentemente menores chegando da direção oposta.
Os cientistas pensam que é provável que os dois fenómenos estejam ligados – que fontes ainda não identificadas estão a produzir tanto os raios gama como as partículas de energia ultra-elevada. Para resolver este enigma cósmico, os astrónomos devem localizar estas fontes misteriosas ou propor explicações alternativas para ambas as características.
Referência: “Sondando o dipolo do fundo difuso de raios gama” por A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela e CS Shrader, 10 de janeiro de 2024, As cartas do jornal astrofísico.
DOI: 10.3847/2041-8213/acfedd
O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi é uma parceria de astrofísica e física de partículas gerenciada por Goddard. O Fermi foi desenvolvido em colaboração com o Departamento de Energia dos EUA, com importantes contribuições de instituições acadêmicas e parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão, Suécia e Estados Unidos.
