As explosões de raios gama (GRBs) são um dos fenómenos mais poderosos do Universo e algo que os astrónomos têm estudado furiosamente para aprender mais sobre as suas origens. Nos últimos anos, os astrónomos estabeleceram novos recordes para o GRB mais poderoso alguma vez observado – isto inclui o GRB 190114C, observado pelo telescópio espacial Hubble em 2019, e GRB 221009A, detectado pelo telescópio Gemini South em 2022. O mesmo se aplica aos raios cósmicos de alta energia que se originam no interior da Via Láctea, cujas origens ainda não são totalmente compreendidas.

Em um estudo recentemembros da China Grande Observatório de Chuveiro de Ar em Alta Altitude (LHAASO) A colaboração descobriu uma explosão massiva de raios gama (designada GRB 221009A) na região de formação estelar Cygnus que era mais poderosa do que 10 peta-elétron-volts (PeV, 1PeV = 1015eV), mais de dez vezes a média. Além de ser o GRB mais brilhante estudado até à data, a equipa foi capaz de medir com precisão o espectro de energia da explosão, tornando esta a primeira vez que os astrónomos traçaram raios cósmicos com este nível de energia até à sua fonte.

A equipe foi liderada por Prof. Cao Zhenprofessor da Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências (CAS-IHEP), e incluiu os membros do CAS Dr. Gao Chuandong, Dr. Seus resultados foram descritos em um artigo intitulado “Uma bolha de raios gama de energia ultra-alta alimentada por um super PeVatron”, que apareceu em 15 de novembro no Science Bulletin. A Colaboração LHAASO compreende mais de 280 membros representando 32 instituições de pesquisa astrofísica em todo o mundo.

O Large High-Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) é um conjunto composto composto por 5.216 detectores de partículas eletromagnéticas, 1.188 detectores de múons, um conjunto de detectores Cherenkov de água de 78.000 metros quadrados e 18 telescópios Cherenkov de grande angular. O observatório está localizado a uma altura de 4.410 metros (14.468,5 pés) no Monte Haizi, na província de Sichuan, na China, e é dedicado ao estudo dos raios cósmicos. Quando os raios cósmicos atingem a atmosfera da Terra, criam “chuvas” de partículas secundárias, algumas das quais atingem a superfície.

A origem dos raios cósmicos é uma das questões mais importantes da astrofísica atualmente. Nas últimas décadas, os astrônomos detectaram três GRBs de alta energia com um pico de cerca de um petaeletronvolts (PeVs) – um quatrilhão de elétronvolts (1015eV) – em seu espectro de energia. Os cientistas acreditam que os raios cósmicos com energia abaixo deste nível vêm de fontes astrofísicas da Via Láctea (como as supernovas). Este pico de energia representa um limite para os raios cósmicos, que geralmente assumem a forma de prótons acelerados até a velocidade próxima da da luz.

No entanto, as origens dos raios cósmicos na região de alguns petaelétron-volts continuam sendo um dos mistérios mais intrigantes da astrofísica atual. Com base nos dados adquiridos pelo LHAASO, a equipe da Colaboração descobriu uma bolha gigante de raios gama de energia ultra-alta no aglomerado Cygnus X (a maior região de formação de estrelas na vizinhança Solar) localizada a cerca de 2,4 bilhões de anos-luz da Terra. Os fótons detectados no interior da estrutura apresentaram leitura de energia máxima de 2,5 PeV, enquanto os ejetados apresentaram valores de energia de até 20 PeV – os mais altos já registrados.

A partir disso, a equipe inferiu a presença de um enorme acelerador de raios cósmicos perto do centro da bolha, que eles acreditam ser o massivo aglomerado estelar Cygnus OB2 dentro de Cygnus X. Este aglomerado é composto por muitas estrelas jovens massivas, incluindo azul-branco Gigantes do tipo O e gigantes azuis do tipo B, com temperaturas de superfície superiores a 35.000 e 15.000 °C (63.000 e 27.000 °F), respectivamente. Estas estrelas geram uma pressão de radiação centenas a milhões de vezes superior à do Sol, que sopra para longe o material da superfície estelar, criando ventos solares que se movem a velocidades de até milhares de quilómetros por segundo.

GRB
GRB 221009A: olhando para trás no tempo. Crédito: ESA

As colisões entre este vento e o ISM criam raios gama de alta energia e o ambiente ideal para uma aceleração eficiente de partículas. Estas descobertas representam os raios cósmicos de maior energia detectados até hoje e o primeiro acelerador de raios cósmicos já observado. As observações da equipe também indicaram que o acelerador aumenta significativamente a densidade dos raios cósmicos no ISM circundante, excedendo em muito o nível médio de raios cósmicos na Via Láctea. Por último, a intensidade da luz de fundo medida na banda infravermelha foi muito inferior ao esperado, cerca de 40% do que os modelos cosmológicos sugerem.

Estas observações desafiam o modelo padrão de brilho residual GRB e podem levar os astrónomos a repensar os modelos actuais de formação e evolução de galáxias. Da mesma forma, poderia fornecer informações cruciais para testar a Relatividade Especial (SR) e a possibilidade de a Matéria Escura ser composta de áxions. Professora Elena Amato, astrofísica da Academia Italiana Instituto Nacional de Astrofísica (INAF), indicou que estes resultados “não só têm impacto na nossa compreensão da emissão difusa, mas também têm consequências muito relevantes na nossa descrição do transporte de raios cósmicos (CR) na Galáxia”.

Leitura adicional: Academia Chinesa de Ciências

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