Os raios gama concentram a maior parte da energia de qualquer onda e são produzidos pelos objetos mais quentes e energéticos do universo.

Esta imagem de todo o céu, construída a partir de dois anos de observações pelo Telescópio Espacial Fermi de raios gama da NASA, mostra como o céu aparece na luz de raios gama. Crédito da imagem: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration

Os raios gama são uma forma de radiação eletromagnética, assim como as ondas de rádio, radiação infravermelha, radiação ultravioleta, raios X e micro-ondas. Os raios gama podem ser usados para tratar o câncer, e as explosões de raios gama são estudadas por astrônomos.

A radiação eletromagnética (EM) é transmitida em ondas ou partículas em diferentes comprimentos de onda e frequências. Essa ampla faixa de comprimentos de onda é conhecida como espectro eletromagnético. O espectro é geralmente dividido em sete regiões em ordem decrescente de comprimento de onda e aumento de energia e frequência. As designações comuns são ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho (IR), luz visível, ultravioleta (UV), raios X e raios gama.

Os raios gama se enquadram na faixa do espectro EM acima dos raios X suaves. Os raios gama têm frequências superiores a cerca de 10¹⁹ ciclos por segundo, ou hertz (Hz), e comprimentos de onda de menos de 100 picômetros (pm), ou 4 x 10⁹ polegadas. (Um picômetro equivale a um trilionésimo de metro.)

Os raios gama e os raios X rígidos se sobrepõem no espectro EM. O que pode dificultar sua diferenciação. Em alguns campos, como a astrofísica, uma linha arbitrária é desenhada no espectro onde os raios acima de um determinado comprimento de onda são classificados como raios X e os raios com comprimentos de onda mais curtos são classificados como raios gama. Tanto os raios gama quanto os raios X têm energia suficiente para causar danos aos tecidos vivos, mas quase todos os raios gama cósmicos são bloqueados pela atmosfera da Terra.

A descoberta dos raios gama

Os raios gama foram observados pela primeira vez em 1900 pelo químico francês Paul Villard, quando ele estava investigando a radiação do rádio, de acordo com a Agência Australiana de Proteção à Radiação e Segurança Nuclear (ARPANSA). Alguns anos depois, o químico e físico nascido na Nova Zelândia Ernest Rutherford propôs o nome de "raios gama", seguindo a ordem dos raios alfa e beta - nomes dados a outras partículas que são criadas durante uma reação nuclear - e o nome pegou.

Fontes e efeitos dos raios gama

Os raios gama são produzidos principalmente por quatro reações nucleares diferentes: fusão, fissão, decaimento alfa e decaimento gama.

A fusão nuclear é a reação que alimenta o sol e as estrelas. Ela ocorre em um processo de várias etapas em que quatro prótons, ou núcleos de hidrogênio, são forçados sob temperatura e pressões extremas a se fundir em um núcleo de hélio, que compreende dois prótons e dois nêutrons. O núcleo de hélio resultante é cerca de 0,7 por cento menos massivo do que os quatro prótons que entraram na reação. Essa diferença de massa é convertida em energia, de acordo com a famosa equação de Einstein E = mc², com cerca de dois terços dessa energia emitida como raios gama. (O resto está na forma de neutrinos, que são partículas de interação extremamente fraca com massa quase zero.) Nos estágios finais da vida de uma estrela, quando ela fica sem combustível de hidrogênio, ela pode formar elementos cada vez mais massivos por meio da fusão, até e incluindo o ferro, mas essas reações produzem uma quantidade decrescente de energia em cada estágio.

Outra fonte familiar de raios gama é a fissão nuclear. O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley define a fissão nuclear como a divisão de um núcleo pesado em duas partes aproximadamente iguais, que são núcleos de elementos mais leves. Nesse processo, que envolve colisões com outras partículas, núcleos pesados, como urânio e plutônio, são quebrados em elementos menores, como xenônio e estrôncio. As partículas resultantes dessas colisões podem, então, impactar outros núcleos pesados, estabelecendo uma reação nuclear em cadeia. A energia é liberada porque a massa combinada das partículas resultantes é menor que a massa do núcleo pesado original. Essa diferença de massa é convertida em energia, de acordo com E = mc², na forma de energia cinética dos núcleos menores, neutrinos e raios gama.

Outras fontes de raios gama são o decaimento alfa e o decaimento gama. O decaimento alfa ocorre quando um núcleo pesado emite um núcleo de hélio-4, reduzindo seu número atômico em 2 e seu peso atômico em 4. Esse processo pode deixar o núcleo com excesso de energia, que é emitida na forma de raio gama. O decaimento gama ocorre quando há muita energia no núcleo de um átomo, fazendo com que ele emita um raio gama sem alterar sua carga ou composição de massa.

Impressão artística da explosão de raios gama. Crédito da imagem: NASA

Terapia de raios gama

Os raios gama às vezes são usados para tratar tumores cancerígenos no corpo, danificando o DNA das células tumorais. No entanto, muito cuidado deve ser tomado, porque os raios gama também podem danificar o DNA das células do tecido saudável circundante.

Uma maneira de maximizar a dosagem para células cancerosas enquanto minimiza a exposição a tecidos saudáveis é  direcionar múltiplos feixes de raios gama de um acelerador linear, ou linac, para a região alvo de muitas direções diferentes. Este é o princípio operacional das terapias CyberKnife e Gamma Knife.

A radiocirurgia Gamma Knife usa equipamento especializado para focar cerca de 200 minúsculos feixes de radiação em um tumor ou outro alvo no cérebro. Cada feixe individual tem muito pouco efeito no tecido cerebral por onde passa, mas uma forte dose de radiação é aplicada no ponto onde os feixes se encontram, de acordo com a Mayo Clinic.

Astronomia de raios gama

Uma das fontes mais interessantes de raios gama são as explosões de raios gama (GRBs). Esses são eventos de energia extremamente alta que duram de alguns milissegundos a vários minutos. Eles foram observados pela primeira vez na década de 1960 e agora são observados em algum lugar no céu cerca de uma vez por dia.

Explosões de raios gama são "a forma mais energética de luz", de acordo com a NASA. Eles brilham centenas de vezes mais do que uma supernova típica e cerca de um milhão de trilhões de vezes mais que o sol.

De acordo com Robert Patterson, professor de astronomia da Missouri State University, pensava-se que os GRBs vinham dos últimos estágios da evaporação de miniburacos negros. Acredita-se agora que eles se originam em colisões de objetos compactos, como estrelas de nêutrons. Outras teorias atribuem esses eventos ao colapso de estrelas supermassivas para formar buracos negros.

Em ambos os casos, os GRBs podem produzir energia suficiente para, em alguns segundos, ofuscar uma galáxia inteira. Como a atmosfera da Terra bloqueia a maioria dos raios gama, eles são vistos apenas com balões de alta altitude e telescópios orbitais.

Recursos adicionais:

• Recurso da NASA no espectro eletromagnético.
• Assistir: O que são raios gama? pela NASA.
• Raios gama e fontes cósmicas, do conjunto de telescópios Cherenkov.

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Referência:

LUCAS, Jim. What are gamma rays? Live Science, 29, nov. 2018. Disponível em: <https://www.livescience.com/50215-gamma-rays.html>. Acesso em: 19, out. 2021.