Durante anos, na vastidão de nossa galáxia, astrofísicos rastrearam pevatrons - aceleradores naturais de partículas com energias monstruosas. Graças ao HAWC Observatory for Cosmic Radiation, outro provável vestígio de sua existência acaba de ser encontrado: fótons com algumas das mais altas energias. No entanto, o que é particularmente importante é que desta vez os fótons de alta energia não foram apenas registrados, mas também seu provável local de origem foi determinado.

Os fótons com energia de 200 teraeletronvolts são provavelmente emitidos por prótons que colidem com o gás interestelar. A fonte primária de prótons é o pulsar HAWC J1825-134 (no círculo laranja), o papel do acelerador real é desempenhado pelo aglomerado de estrelas [BDS2003] 8 (azul escuro). Crédito: HAWC

Sabemos que eles existem, só não sabemos onde exatamente estão ou como são. Pevatrons - porque é disso que estamos falando aqui, são os maiores aceleradores de partículas naturais em nossa galáxia, capazes de acelerar prótons e elétrons a energias até bilhões de vezes maiores do que a energia dos fótons da luz visível. O problema com a detecção de pevatrons decorre do fato de que as partículas que eles aceleram carregam uma carga elétrica e, portanto, são desviadas por campos magnéticos na galáxia. A descoberta que acaba de ser feita graças aos dados coletados pelo Observatório de Raios Gama High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) nos aproxima significativamente de encontrar o primeiro pevatron cósmico e entender sua natureza.

O Observatório HAWC está localizado na encosta do vulcão Sierra Negra, no México, a uma altitude de 4.100 m. É composto por 300 tanques de água, cada um cercado por fotomultiplicadores sensíveis. Quando uma partícula de radiação cósmica secundária viajando a uma velocidade maior que a velocidade da luz na água entra em um tanque, ocorre um “boom” eletromagnético, um fraco flash de radiação (Cherenkov), detectado e amplificado pelos fotomultiplicadores. Uma análise cuidadosa dos flashes observados ao mesmo tempo em tanques individuais permite extrair informações sobre o tipo, a energia e a direção da partícula da radiação cósmica primária que iniciou a cascata registrada de partículas secundárias.

“Com base nos dados coletados pelo HAWC, pudemos determinar a fonte dos fótons com energias de cerca de 200 teraeletronvolts. Para os fótons, este é um valor extremo, cem trilhões de vezes maior do que a energia típica dos fótons percebidos pelos nossos olhos”, diz a Dra. Sabrina Casanova, do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia. Junto com o Dr. Francisco Sales Greus (IFJ PAN & IFIC) e o aluno de doutorado Dezhi Huang da Michigan Technological University em Houghton (EUA), ela é uma das principais autoras da análise publicada na excelente revista astronômica The Astrophysical Journal Letters.

Comparados aos prótons e elétrons, os fótons têm uma característica agradável: eles ignoram os campos magnéticos e correm para seu alvo ao longo do caminho mais curto que o espaço-tempo permite. Assim, uma vez que a direção da qual os fótons estão vindo é identificada dentro de uma galáxia, geralmente é possível determinar sua fonte. Esta não é uma tarefa fácil, mas neste caso foi bem sucedida. A fonte dos fótons de 200 TeV acabou sendo uma região do pulsar recém-descoberto eHWC J1825-134, visível no hemisfério sul no fundo da constelação Vela, e situado a uma distância de cerca de 13 mil anos-luz da Terra.

As observações desses fótons de alta energia são raras e é ainda mais raro identificar a fonte. O registro atualmente pertence a fótons com energias de 450 TeV, detectados com o detector ASgamma sino-japonês no Tibete. Nesse caso, os fótons vieram da vizinhança de um pulsar na famosa nebulosa do Caranguejo no fundo da constelação de Touro.

“Agora sabemos de dois mecanismos que podem explicar a existência de fótons com energias de 200 TeV e acima”, explica a Dra. Salesa Greus, antes de elaborar: “De acordo com o primeiro, a fonte de tais fótons energéticos poderia ser elétrons com energia ligeiramente superior a energias emitidas por remanescentes de supernovas ou pulsares e, então, interagindo com a radiação de fundo de microondas que preenche o Universo. Este caso parece se encaixar na nebulosa do Caranguejo. A segunda variante do curso dos eventos assume que os fótons nascem devido à interação dos prótons emitidos por um pulsar com a matéria no espaço interestelar. O que é particularmente interessante neste cenário é que as energias dos prótons devem ser pelo menos uma ordem de magnitude maior do que as energias dos fótons observados!”.

A região do pulsar eHWC J1825-134 é uma estrutura astronômica complexa com várias fontes de raios gama de alta energia dentro dela. Os pesquisadores do HAWC determinaram que a origem dos fótons de 200 TeV não era o pulsar em si, mas uma fonte até então desconhecida: uma nuvem próxima de material interestelar. Ela envolve um jovem aglomerado de estrelas, com cerca de um milhão de anos, designado como [BDS2003] 8. Os fótons observados poderiam, portanto, ter sido emitidos por prótons do pulsar eHWC J1825-134 que, dentro do aglomerado de 8 estrelas [BDS2003], tinha tempo suficiente para acelerar no campo magnético local para energias de alguns petaeletronvolts e produzir fótons energéticos na interação com a nuvem. Se essa variante do curso dos eventos for confirmada em observações subsequentes, estaremos lidando com o primeiro pevatron identificado em nossa galáxia.

“Por enquanto, temos muito poucos dados para decidir de forma inequívoca sobre a natureza do acelerador cósmico responsável pela geração de 200 fótons TeV na região de eHWC J1825-134. Se, no entanto, houver um pevatron galáctico escondido em algum lugar, conseguimos encontrar um candidato realmente excelente”, observa o Dr. Casanova.

A pesquisa de cientistas do IFJ PAN foi financiada por uma bolsa do Centro de Ciência Nacional da Polônia.

Referência: “Evidence of 200 TeV Photons from HAWC J1825-134” por A. Albert, R. Alfaro, C. Alvarez, JR Angeles Camacho, JC Arteaga-Velázquez, KP Arunbabu, D. Avila Rojas, HA Ayala Solares, Baghmanyan, E. Belmont-Moreno, SY BenZvi, C. Brisbois, T. Capistrán, A. Carramiñana, S. Casanova, U. Cotti, J. Cotzomi, E. De la Fuente, R. Diaz Hernandez, BL Dingus, MA DuVernois, M. Durocher, JC Díaz-Vélez, K. Engel, C. Espinoza, K. Fang, H. Fleischhack, N. Fraija, A. Galván-Gámez, D. Garcia, JA García-González, F. Garfias, G. Giacinti, MM González, JA Goodman, JP Harding, B. Hona, D. Huang, F. Hueyotl-Zahuantitla, P. Hüntemeyer, A. Iriarte, A. Jardin-Blicq, V. Joshi, GJ Kunde, A. Lara, WH Lee, H. León Vargas, JT Linnemann, AL Longinotti, G. Luis-Raya, J. Lundeen, K. Malone, V. Marandon, O. Martinez, J.Martínez-Castro, JA Matthews, P. Miranda-Romagnoli, E. Moreno, M. Mostafá, A. Nayerhoda, L. Nellen, M. Newbold, MU Nisa, R. Noriega-Papaqui, N. Omodei, A. Peisker, Y. Pérez Araujo, EG Pérez-Pérez, CD Rho, D. Rosa-González, H. Salazar, F. Salesa Greus, A. Sandoval, M. Schneider, F. Serna, RW Springer, K. Tollefson, I. Torres , R. Torres-Escobedo, F. Ureña-Mena, L. Villaseñor, E. Willox, H. Zhou e C. de León, 28 de janeiro de 2021,de León, 28 de janeiro de 2021,de León, 28 de janeiro de 2021,The Astrophysical Journal Letters .
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / abd77b

Fonte: SciTechDaily