Deuterons — núcleos atômicos compostos de um próton e um nêutron — são pensados para se formarem da mesma forma que núcleos de hélio-3, em colisões entre núcleos primários de hélio-4 e outros núcleos no meio interestelar. Se esse for realmente o caso, a razão de fluxo de deutério para hélio-4 deve ser semelhante à razão de fluxo de hélio-3 para hélio-4. Mas não é isso que o Espectrômetro magnético alfa (AMS) a bordo da Estação Espacial Internacional vê.
Águilar e outros. usou o Espectrômetro Magnético Alfa (AMS) a bordo da Estação Espacial Internacional para medir o fluxo de deutério.
Os raios cósmicos são partículas energéticas com energias que variam de MeV a 1020 eV.
Suas propriedades são estudadas a partir de medições de seus espectros de energia (rigidez), que é o número de partículas por unidade de tempo, ângulo sólido, superfície e energia, como funções de energia. Eles são caracterizados por espectros que diminuem rapidamente com o aumento da energia.
Acredita-se que os raios cósmicos de energia abaixo do PeV se originem em nossa Via Láctea.
A composição elementar desses raios cósmicos galácticos é dominada por núcleos de hidrogênio, principalmente prótons. Núcleos de hélio respondem por cerca de 10%, elétrons e núcleos mais pesados que o hélio respondem por apenas 1% cada.
Espécies sintetizadas em estrelas, como prótons, elétrons e a maioria dos núcleos, são chamadas de raios cósmicos primários.
Núcleos leves que podem ser sintetizados pela fusão nuclear no núcleo das estrelas são mais abundantes do que núcleos mais pesados, pois sua produção se torna menos favorável energeticamente à medida que a massa aumenta.
Uma síntese de núcleos mais pesados que o ferro, como o níquel, prossegue por meio de fenômenos explosivos, como explosões de supernovas que ocorrem no fim da vida de estrelas massivas. Isso torna núcleos além do ferro muito raros.
Os núcleos primários, uma vez emitidos por suas fontes no espaço sideral, podem colidir com o meio interestelar e se fragmentar em espécies mais leves.
Este é o principal mecanismo de produção de núcleos como lítio, berílio, boro, flúor, escândio, titânio e vanádio, cuja produção por meio da nucleossíntese estelar é energeticamente desfavorecida. Eles são chamados de raios cósmicos secundários.
Comparados aos núcleos primários de massa semelhante, os núcleos secundários são menos abundantes e têm espectros de rigidez que diminuem mais rapidamente do que os espectros dos primários à medida que a rigidez aumenta.
A dependência energética (ou rigidez) dos espectros de raios cósmicos resulta da combinação da emissão de suas fontes, aceleração e mecanismos de propagação que ocorrem enquanto os raios cósmicos viajam pela galáxia.
Os raios cósmicos são acelerados pela difusão através de choques de expansão e propagam-se difusivamente no meio interestelar, espalhando-se nas irregularidades do campo magnético galáctico. Ambos os mecanismos dependem do momento da partícula, ou rigidez magnética.
A propagação de raios cósmicos é descrita em termos de um coeficiente de difusão dependente da rigidez, que incorpora as propriedades da turbulência do campo magnético galáctico.
“Os núcleos de hidrogênio são as espécies de raios cósmicos mais abundantes”, escreveram membros da Colaboração AMS em seu artigo.
“Eles consistem em dois isótopos estáveis, prótons e deutérios.”
“A nucleossíntese do Big Bang prevê uma produção muito pequena de deutério e, com o tempo, a abundância de deutérios diminui em relação ao seu valor primordial, com a proporção de deutério para próton medida no meio interestelar de 0,00002.”
“Em vez de serem acelerados em remanescentes de supernovas, como prótons de raios cósmicos primários e hélio-4, acredita-se que os deutérios se originem predominantemente de interações do hélio com o meio interestelar.”
“Juntamente com o hélio-3, os deutérios são chamados raios cósmicos secundários.”
Em seu último estudo, os físicos do AMS investigaram dados de 21 milhões de deutérios cósmicos detectados pelo AMS de maio de 2011 a abril de 2021.
Examinando como o fluxo de deutérios varia com a rigidez, eles encontraram características surpreendentes.
Os dados do AMS mostram que essas proporções são notavelmente diferentes acima de uma rigidez de 4,5 GV, com a proporção de deutério para hélio-4 caindo menos acentuadamente com a rigidez do que a proporção de hélio-3 para hélio-4.
Além disso, e novamente desafiando as expectativas, acima de uma rigidez de 13 GV os dados mostram que o fluxo de deutério é quase idêntico ao dos prótons, que são raios cósmicos primários.
Simplificando, os pesquisadores encontraram mais deutérios do que o esperado nas colisões entre núcleos primários de hélio-4 e o meio interestelar.
“A medição de deutérios é bastante difícil devido ao grande fundo cósmico de prótons”, disse o Dr. Samuel Ting, porta-voz da Colaboração AMS.
“Nossos resultados inesperados continuam a mostrar o quão pouco sabemos sobre os raios cósmicos.”
“Com a próxima atualização do AMS para aumentar sua aceitação em 300%, o AMS será capaz de medir todos os raios cósmicos carregados com precisão de um por cento e fornecer uma base experimental para o desenvolvimento de uma teoria precisa dos raios cósmicos.”
O artigo da equipe foi publicado na revista Cartas de revisão física.
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M. Aguilar e outros. (Colaboração AMS). 2024. Propriedades de Deuterons Cósmicos Medidas pelo Espectrômetro Magnético Alfa. Físico Rev. Lett 132 (26): 261001; doi: 10.1103/PhysRevLett.132.261001
