CBPF comemora hoje (29): Dia Internacional dos Raios Cósmicos

A convite do Núcleo de Comunicação Social, o físico experimental Ugo Giaccari, pós-doutorando no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro (RJ), preparou um texto para comemorar o ‘Dia Internacional dos Raios Cósmicos’, data que celebra uma das áreas mais vibrantes da chamada física de astropartículas

Hoje (29/11), é o ‘Dia Internacional dos Raios Cósmicos’, evento idealizado tanto pelo DESY (Alemanha), infraestrutura de pesquisa que abriga um acelerador (síncrotron) de elétrons, quanto pelo Fermilab (EUA), laboratório também voltado para o estudo de partículas elementares.

A data ‒ que começou a ser comemorada em 2012 ‒ não foi escolhida por acaso. Naquele ano, ocorreu o centenário da descoberta dos raios cósmicos. Desde então, o evento se repete anualmente, em novembro, mês indicado por uma comissão.

A cada instante, partículas vindas do espaço, viajando praticamente à velocidade da luz (cerca de 300 mil km/s), chegam à Terra e colidem contra átomos da atmosfera. Esses choques criam uma multidão de novas partículas, como elétrons, fótons, prótons e fragmentos de núcleos. A esse conjunto de partículas se dá o nome ‘raios cósmicos’. A partícula que inicia essa chuveirada é chamada ‘raio cósmico primário’, e aquelas que resultam das colisões, ‘raios cósmicos secundários’.

Raios cósmicos podem chegar à Terra com energias iguais àquelas obtidas nos aceleradores de partículas, como o LHC (sigla, em inglês, para Grande Colisor de Hádrons), do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), na Suíça. A energia dos chamados ultraenergéticos pode ser até centenas de milhões de vezes superiores às alcançadas em aceleradores.

Os raios cósmicos mais comuns – de energia baixa e média – chegam a nosso planeta vindos de todos os lugares da Via Láctea. Os mais raros (ultraenergéticos) alcançam o Sistema Solar oriundos dos cantos mais remotos do espaço, fora de nossa galáxia.

E pensar que toda essa jornada de conhecimento – que comemoramos hoje (29/11) – começou há pouco mais de 100 anos, quando o físico austríaco Victor Hess (1883-1964), para entender um fenômeno aparentemente corriqueiro – conhecido então há séculos, como um misterioso tipo de ‘eletricidade do ar’ –, resolveu se aventurar em seu balão, a quilômetros do solo.

Hoje, graças a ele e outros pioneiros, podemos alçar voos muitos mais altos, rumo aos confins do universo. A questão que os astrofísicos vêm se perguntando há mais de um século: que fascinantes objetos espaciais podem imprimir acelerações tão excepcionais às partículas subatômicas? E onde estão esses objetos?

Dar uma resposta a essas perguntas não é nada simples. Razão: essas partículas viajam em uma trajetória zigue-zague, sendo continuamente desviadas por campos magnéticos espaciais. A maioria dos especialistas da área – conhecidos popularmente por ‘cosmicistas’ –suspeita que as origens de raios cósmicos tão energéticos estejam relacionadas a supernovas (explosões de estrelas). Mas o desafio é que, desde a descoberta dos raios cósmicos, há pouco mais de um século, ninguém sabia, com certeza, de onde vinham esses viajantes espaciais.

Até agora.

Um grande salto na pesquisa nessa área – denominada física de astropartículas – ocorreu ano passado, quando o Observatório Pierre Auger – que espalha seus detectores e telescópios por cerca de 3 mil km ² no oeste da Argentina – estudou as trajetórias de chegada de 30 mil raios cósmicos. O experimento concluiu que há uma diferença na frequência com que esses raios cósmicos chegam, dependendo de para onde você olha. Embora as origens sigam nebulosas, saber onde procurar é o primeiro passo para conhecer de onde essas astropartículas vêm.

Detector e prédio do telescópio (ao fundo) do Observatório Pierre Auger, na Argentina

(Crédito: The Pierre Auger Observatory)

Multimensageiro

Hoje, a área de astrofísica dos raios cósmicos está passando por uma nova ‘Era de Ouro’ – a primeira dela se deu logo depois da Segunda Guerra Mundial. Essa recente fase é caracterizada tanto por uma interação frutífera entre experimentos quanto por observações extraordinárias, que estimulam uma revisão contínua e profunda de nosso conhecimento do universo.

Exemplo nesse sentido se deu em 12 de julho deste ano, numa conferência de imprensa na sede da NSF (sigla, em inglês, para Fundação Nacional de Ciências), em Washington (EUA). Lá, foi anunciada a primeira evidência experimental de uma relação ‒ os físicos preferem correlação ‒ entre um sinal eletromagnético – ou seja, fótons (partículas de luz) – e a detecção de neutrinos vindos do núcleo de uma galáxia distante. Vale ressaltar que esse resultado contou com a participação de pesquisadores brasileiros.

Telescópio do MAGIC, que participou do resultado que relacionou fótons com neutrinos

(Crédito: Magic Collaboration)

Esse evento extraordinário – segundo do gênero em menos de um ano – tem sido denominado com ‘multimensageiro’, por envolver a coleta de dados e a observação de vários experimentos terrestres e espaciais quase simultaneamente. Anunciado meses antes, o primeiro multimensageiro dizia respeito à observação conjunta de sinais eletromagnéticos e ondas gravitacionais provenientes da fusão de duas estrelas de nêutrons.

Esses dois eventos marcam o nascimento de um novo ramo de pesquisa fundamental em astrofísica: a astronomia multimensageiro.

IceCube, com detectores no gelo antártico, participou de resultado multimensageiro

(Crédito: IceCube Neutrino Observatory)

A maioria dos instrumentos de raios cósmicos é ‘especializada’ em observar um único mensageiro cósmico. Em muitos casos, isso não é suficiente para fazer grandes descobertas. Entretanto, os experimentos modernos, como o LHC, usam uma abordagem ‘multimensageiro’, ao empregar simultaneamente medidores de radiação eletromagnética, de partículas leves e pesadas, carregadas ou neutras. Portanto, um evento de colisão no LHC é estudado por diferentes perspectivas, o que garante uma grande 'experiência' – cientificamente falando.

Como os raios cósmicos são gerados por colisões não muito diferentes daquelas que ocorrem em aceleradores de partículas, espera-se que a astronomia multimensageiro nos permita analisar mais a fundo o universo, ao também observar seus fenômenos a partir de ângulos distintos.

Laboratório cósmico

A partir de um balão em voo sobre a Antártida, um detector de partículas capturou algo que a que a física padrão não consegue explicar. Dois sinais incomuns vistos por aquele equipamento – conhecido como Anita (sigla, em inglês, para Antena Transiente Impulsiva Antártica) – não podem ser atribuídos a nenhuma partícula conhecida. O resultado sugere a possibilidade de novas partículas, além das catalogadas no Modelo Padrão, a teoria que descreve os vários fragmentos subatômicos que compõem a matéria.

Os dois sinais intrigantes parecem ser de neutrinos extremamente energéticos originados no interior da Terra e que viajaram rumo ao céu. Mas essa ideia é problemática, porque, ao contrário dos neutrinos de energias mais baixas, aqueles de alta energia que teriam sido responsáveis pelos sinais deveriam ter interagido depois de viajar por apenas centenas de quilômetros através da Terra.

Parece razoável pensar em neutrinos como protagonistas desses sinais, mas é estranho que eventos semelhantes não tenham sido vistos por outros observatórios. Apesar de esse estudo ser controverso e preliminar, sua beleza, certamente, não permanece oculta: a ideia de que nosso laboratório de partículas não é mais um grande acelerador, mas tão grande quanto todo o universo.

Detalhe de uma operação de voo do detector Anita

(Credito: ANITA Collaboration)

O futuro

Com base nessas descobertas, novos observatórios serão construídos -- alguns dos mais importantes com ampla participação de instituições brasileiras e do CBPF. Por exemplo: i) a extensão do Observatório Pierre Auger, na Argentina; ii) o primeiro recém-inaugurado telescópio do CTA (sigla, em inglês, para Rede de Telescópios Cherenkov); iii) novos projetos, como o Lattes,  cujo nome homenageia um dos pioneiros da pesquisa em raios cósmicos no Brasil, o físico César Lattes (1924-2005), um dos fundadores do CBPF.

Estamos diante de uma nova fase da pesquisa científica sobre universo, a qual, certamente, levará a novas descobertas fundamentais nos próximos anos. Portanto, comemore hoje o Dia Internacional dos Raios Cósmicos.

E não perca os próximos episódios dessa longa e bela jornada do conhecimento.

Ugo Giaccari

Pós-doutorando

CBPF

Mais informações:

Dia Internacional dos Raios Cósmicos 2018 (em inglês): https://icd.desy.de/

Pôster (em inglês): https://icd.desy.de/sites/sites_conferences/site_icd/content/e62738/ICRC2017_poster_web.pdf

Dia Internacional dos Raios Cósmicos 2017: http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/cbpf-comemora-hoje-30-o-dia-internacional-dos-raios-cosmicos

Resultado do Pierre Auger: http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/com-ampla-participacao-brasileira-observatorio-auger-desvenda-mais-um-misterio-sobre-os-raios-cosmicos

Fonte de raios cósmicos: http://portal.cbpf.br/pt-br/informes-internos/pesquisador-do-cbpf-fala-a-pesquisa-fapesp-sobre-fonte-de-raios-cosmicos

Multimensageiro: http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/esforco-planetario-foi-capaz-de-ver-e-ouvir-ondas-gravitacionais-vindas-da-colisao-entre-estrelas

Primeiro telescópio do CTA: http://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/primeiro-telescopio-do-cta-e-inaugurado-com-participacao-do-cbpf