Os raios cósmicos ultra-energéticos, conhecidos por UHECR (do inglês UltraHigh-Energy Cosmic Ray), são as partículas mais energéticas do Universo. Um estudo recente, liderado por M. Gonzalez (Laboratório Nacional de Los Alamos, EUA) e publicado na revista científica Nature, sugere que as fulgurações de raios gama, as explosões mais potentes do Universo, podem gerar os UHECRs. Só recentemente se começou a compreender as fulgurações de raios gama e pensa-se que muitas têm origem em explosões, invulgarmente potentes, de estrelas. Embora frequentes, as fulgurações de raios gama são imprevisíveis e muito rápidas, durando apenas alguns segundos, o que dificulta o seu estudo.

Os raios cósmicos são partículas atómicas (por exemplo electrões, protões ou neutrinos) que se deslocam quase à velocidade da luz. Os raios cósmicos de energia mais baixa, gerados pelas fulgurações solares e por explosões normais de estrelas, bombardeiam a Terra constantemente. Os UHECRs são entre cem a milhões de vezes mais energéticos do que as partículas produzidas nos aceleradores de partículas construídos pelo Homem.

O estudo realizado pela equipa de M. Gonzalez baseia-se na análise da radiação emitida por uma fulguração de raios gama. Pesquisando os arquivos do Observatório de Raios Gama Compton, uma missão da NASA que terminou em 2000, o grupo de investigadores descobriu uma fulguração de raios gama, denominada GRB941017, diferente das outras 2700 fulgurações registadas por este observatório. GRB941017 ocorreu na direcção da constelação da Seta, provavelmente a 10 mil milhões de anos-luz.

A radiação gama abrange um intervalo grande de energia. Os investigadores descobriram que a fulguração GRB941017 era dominada pelos fotões de energia mais elevada, ou seja, que a maior parte da energia da radiação gama desta fulguração era transportada pelos fotões mais energéticos; e que no decorrer da fulguração, o fluxo de fotões de energia mais baixa diminuía mais depressa do que o fluxo de fotões mais energéticos. Acontece que este excesso de fotões de alta energia não é consistente com o modelo de radiação de sincrotrão gerada pela onda de choque, que descreve a maioria das fulgurações.

A equipa acredita que, embora possam existir outras explicações para a observação de raios gama de baixa e alta energia em GRB941017, o resultado é consistente com a aceleração de UHECRs em fulgurações de raios gama. Os raios gama de baixa energia são previstos quando electrões a alta velocidade são deflectidos por campos magnéticos intensos, enquanto que os raios gama de alta energia são esperados se a fulguração produzir UHECRs e alguns destes colidirem com outros fotões, criando uma cascata de partículas, algumas das quais produzem os raios gama de alta energia quando decaem.

O facto dos raios gama de baixa energia desaparecerem relativamente depressa, enquanto que os de alta energia demoram mais tempo, faz sentido se dois tipos de partículas – os electrões e os protões dos UHECRs – forem responsáveis pelos raios gama de diferentes energias. Como os electrões emitem energia mais facilmente do que os protões, a emissão dos raios gama de baixa energia pelos electrões dura menos tempo do que a emissão de raios gama de alta energia pelos protões.

Os cientistas pensam que os UHECRs têm de ser gerados relativamente perto da Terra, porque se forem produzidos a grandes distâncias colidem com fotões cósmicos deixados pelo Big Bang e perdem parte da sua energia antes de chegarem à Terra. Contudo, não se conhece nenhuma fonte local de raios cósmicos suficientemente potente para gerar UHECRs. Na hipótese das fulgurações de raios gama produzirem UHECRs, há que considerar que embora até agora ainda não tenham sido detectadas fulgurações de raios gama num raio de 100 milhões de anos-luz da Terra, elas certamente ocorreram localmente ao longo da vida da Galáxia. Se assim foi, o mesmo mecanismo que se observa em GRB941017 teria ocorrido nas proximidades da Terra, suficientemente perto para fornecer os UHECRs que detectamos hoje.

Os UHECRs são detectados quando alcançam a nossa atmosfera: a colisão dos UHECRs com partículas da atmosfera terrestre produz radiação ultravioleta e uma cascata de milhares de milhões de partículas subatómicas, que são detectados por instrumentos especiais. Com estas detecções, os cientistas conseguem calcular a quantidade de energia que uma partícula precisa de ter para dar origem à cascata de partículas observada. E chegam ao número surpreendente de 10²⁰ eV, como limite inferior!

Poucos objectos celestes possuem condições extremas necessárias para a produção de partículas com as velocidades dos UHECRs. Pensa-se que pelo menos certas fulgurações de raios gama são produzidas por explosões de supernova que dão origem a buracos negros. O colapso da estrela de massa elevada forma um disco de material à volta do recém-formado buraco negro. O buraco negro consome quase toda a matéria do disco, mas parte é ejectada em jactos que saem pelos pólos do buraco negro. Os jactos atravessam a estrela em colapso a uma velocidade próxima da velocidade da luz, alcançando o meio interestelar, onde criam ondas de choque e abrandam. Formam-se choques internos nos jactos à medida que a extremidade dianteira vai abrandando e a matéria que vem atrás a alta velocidade choca com ela. Estes choques aceleram as partículas que dão origem aos raios gama e também podem acelerar partículas às velocidades típicas dos UHECRs. As fulgurações de raios gama têm energia para acelerar UHECRs, mas até agora só se observaram as que ocorreram a milhares de milhões de anos-luz da Terra. Mas isso não quer dizer que não possam ocorrer mais próximo, dentro da distância dos UHECRs.

Fonte da notícia: http://www.gsfc.nasa.gov/topstory/2003/0814cgro_ray.html