Pesquisadores da USP confirmaram matematicamente um mecanismo capaz de recriar os mais energéticos raios cósmicos conhecidos pelos astrônomos. A iniciativa pode ajudar os cientistas a desvendar uma série de mistérios sobre esses micro objetos, em especial qual a origem das energias extremas por trás das acelerações deles que podem chegar próximas a velocidade da luz (um bilhão de quilômetros por hora).
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Raios cósmicos
- O trabalho da USP correlacionou pela primeira vez simulações computacionais subatômicas às que envolvem toda a evolução de um jato de buracos negros.
- Como as condições encontradas próximas aos buracos negros supermassivos não podem ser reproduzidas em laboratório, as reproduções computacionais são indispensáveis para entender alguns acontecimentos.
- O trabalho simulou a propagação de subpartículas (menores que os átomos) através do jato gerado por um buraco negro supermassivo.
- Adotando apenas a física conhecida e sem nenhuma intervenção extra, as partículas colocadas nesse turbilhão evoluíram para radiações gama iguais às mais energéticas detectadas na atmosfera da Terra.
- As informações são do Jornal da USP.
Reconstruindo o motor extragalático
A recriação tridimensional imita a evolução complexa de um jato com um campo magnético espiral. Nela foi introduzida uma perturbação transversal no jato que desencadeia naturalmente uma instabilidade chamada kink, responsável por causar a turbulência nas linhas espirais.
A simulação permitiu ver o movimento das partículas tanto nas escalas pequenas quanto nas muito grandes, que compreendem todo o jato de núcleos galáticos ativos. O primeiro registro de uma simulação que calculou a possibilidade de partículas alcançarem essas super velocidades diretamente nas linhas de campo magnético do jato foi feito pelos mesmos cientistas da USP em 2021.
Agora, eles conseguiram acompanhar a evolução das partículas em ação, ao mesmo tempo que o jato evoluía. A vantagem foi observar a aceleração acontecendo até levarem às velocidades máximas que o jato comporta.
Os feixes de raios cósmicos são observados pelos astrônomos há mais de um século. Algumas partículas como essas são aceleradas pelas linhas magnéticas na camada mais externa do Sol, mas não alcançam energias tão altas.
Os raios mais energizados produzidos na Via Láctea, a galáxia em que estamos, surgem das sobras de explosão de estrelas gigantes conhecidas como supernovas. Os raios cósmicos de ultra energia, no entanto, só podem vir de fontes extragaláticas.
Os aceleradores de partículas mais potentes aqui na Terra são capazes de produzir partículas com energias de até 10¹³ [10 trilhões] elétron-volts, enquanto essas partículas super relativísticas têm energias até 10²¹ [1 sextilhão, ou mil quintilhões] elétron-volts.
Elisabete Dal Pino, professora do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP
Os núcleos ativos são uma região compacta em torno dos buracos negros do centro das galáxias. Alguns deles, conhecidos como blazars, emitem enormes jatos em direção à Terra formados por plasma, um estado da matéria em que os gases ficam eletricamente carregados.
Ao invés de seguirem por uma linha reta, as partículas como o próton e o elétron caminham em círculos em torno do campo magnético dos blazars. Quando muito acelerado, esse giro sai ou fica próximo das bordas do jato em acelerações extremas.
Como funciona a reconexão magnética
Os astrofísicos perceberam que os choques, um mecanismo de aceleração que ocorre nos jatos, não poderia explicar a existência das partículas mais energizadas que chegam à Terra. Dessa forma, a única explicação são as regiões observadas no início dos jatos.
Em 2005, cientistas propuseram pela primeira vez que a reconexão magnética poderia acelerar essas partículas de modo eficiente. Isso seria possível convertendo a energia magnética disponível em energia cinética, graças a um princípio previsto pelo físico italiano Enrico Fermi em 1949.
Os radiotelescópios mais modernos e os telescópios de raios gama parecem confirmar as previsões teóricas de que a aceleração mais intensa ocorra na região do início dos jatos, onde eles são muito mais magnetizados. E é aí que ocorre a reconexão magnética, um processo físico que transforma as cargas dos campos magnéticos em energia capaz de acelerar as partículas atômicas até que esses campos sejam consumidos.
Nesse fenômeno, uma partícula pode ser refletida com uma velocidade mais alta sempre que encontrar uma mudança no campo magnético no caminho. Essas reflexões conseguem levar uma partícula a atingir velocidades próximas à da luz.
As partículas carregadas caminham por correntes elétricas que parecem correntezas de um rio. No entanto, em regiões turbulentas, a probabilidade de uma colisão frontal com outro fluxo magnético é maior do que a continuidade. Essa perturbação quebra algumas dessas linhas espirais e isso faz com que campos magnéticos em direção oposta se encontrem.
O encontro de linhas de campos magnéticos contrários forma uma nova conexão que libera energia para o meio, acelerando partículas e aquecendo o gás. É nesses pontos que ocorrem as reconexões.