Raios cósmicos ultra-pesados podem explicar a partícula Amaterasu

Durante décadas, muitos físicos tomaram como limite o ferro: imaginava-se que as partículas mais poderosas do Universo não poderiam ser mais pesadas do que isso. Qualquer coisa acima desse patamar, pensava-se, se partiria ao atravessar os enormes vãos entre galáxias. Um novo trabalho, porém, indica outra possibilidade: elas podem ser raios cósmicos ultra-pesados.

Os raios mais extremos que chegam à Terra talvez sejam feitos de átomos mais pesados do que qualquer coisa que uma estrela em fim de vida consiga produzir. Se essa hipótese estiver correta, um dos enigmas mais famosos - de onde vêm esses eventos - começa a ganhar um caminho plausível para a resposta.

Uma partícula vinda do nada

Em 2021, centenas de detectores espalhados pelo deserto de Utah dispararam praticamente ao mesmo tempo. A Matriz de Telescópios registrara a chegada de um único raio cósmico ao topo da atmosfera, desencadeando uma cascata de partículas secundárias que se espalhou e “choveu” sobre o solo.

A energia envolvida era quase absurda: cerca de 40 milhões de vezes maior do que a alcançada pelo acelerador de partículas mais potente. Os investigadores batizaram o evento de partícula Amaterasu, em referência à deusa do Sol na mitologia japonesa.

A direção de chegada tornou o caso ainda mais intrigante. Ao reconstruir o trajeto para trás, o sinal parecia apontar para o Vazio Local, uma região de espaço quase desocupada ao lado da nossa galáxia. O problema é que não há nada ali que pareça violento o suficiente para arremessar uma partícula com tamanha energia.

Como “ler” um raio cósmico

Apesar do nome, raios cósmicos não são raios. Eles são partículas carregadas - prótons e núcleos atómicos despidos de elétrons - lançadas pelo espaço a velocidades próximas à da luz. As mais energéticas desafiam explicações há mais de 50 anos.

Por terem carga elétrica, as suas trajetórias são desviadas pelos campos magnéticos que permeiam a galáxia. Quando finalmente alcançam a Terra, a direção original já foi embaralhada. É por isso que rastrear a fonte de um evento específico é tão difícil.

Ainda assim, a composição dá pistas. A chuva de detritos produzida na atmosfera carrega assinaturas que indicam se o impacto veio de um próton leve ou de um núcleo mais pesado. Medições recentes sugerem que, conforme a energia aumenta, a mistura tende a ficar mais pesada.

Raios cósmicos ultra-pesados

B. Theodore Zhang, investigador do Instituto Yukawa de Física Teórica, na Universidade de Quioto, e colaboradores levaram essa tendência ao extremo. A pergunta que orientou o estudo foi direta: e se os raios cósmicos de maior energia forem núcleos ultra-pesados, mais pesados do que o ferro?

Núcleos assim não são fabricados em estrelas comuns. Eles surgem em ambientes altamente violentos, os mesmos que produzem os elementos mais pesados da natureza - como ouro, platina e urânio. Nesses cenários, os átomos capturam neutrões em sequência, num intervalo de apenas segundos.

Essa massa extra também traz uma vantagem decisiva: um núcleo mais pesado carrega muito mais carga elétrica. E é justamente a carga que permite que um “acelerador cósmico” empurre uma partícula até energias que componentes mais leves dificilmente alcançariam.

Sobreviver à viagem

Havia um motivo forte para desconfiar dessa ideia. Núcleos pesados são frágeis, e durante muito tempo assumiu-se que eles se quebrariam antes de cruzar as grandes distâncias entre galáxias. Para testar o cenário, o grupo recorreu a uma simulação detalhada.

Ao viajar, um raio cósmico atravessa o fraco brilho de micro-ondas remanescente da Grande Explosão. Nessas colisões suaves, a partícula perde energia e, no caso de núcleos, pode ocorrer a fragmentação. Em geral, partículas mais leves “desgastam-se” mais rapidamente.

Como não existia um pacote de simulação capaz de lidar com núcleos acima do ferro, a equipa desenvolveu a sua própria ferramenta para acompanhar, passo a passo, como cada tipo se decompõe. E foi aí que surgiu a surpresa.

As simulações mostraram que, abaixo de certo limiar de energia, núcleos pesados perdem energia muito mais lentamente do que prótons. Em consequência, eles poderiam atravessar distâncias que antes pareciam impossíveis sem se desintegrarem.

Esse resultado altera o quadro geral. Se os raios mais energéticos forem ultra-pesados, eles podem chegar até nós intactos a partir de fontes que se julgavam demasiado remotas. Com isso, a equipa conseguiu também limitar a fração desses eventos nos dados dos detetores.

Onde eles nascem

O que poderia simultaneamente formar tais núcleos e lançá-los pelo Universo? Segundo o estudo, há duas possibilidades - e ambas são catástrofes. A primeira é o colapso de uma estrela muito massiva que se transforma num buraco negro. A segunda é a fusão de duas estrelas de neutrões.

São os mesmos tipos de cataclismo frequentemente apontados como as “forjas” do ouro e dos elementos mais pesados, um berço natural para núcleos pesados. Ao contabilizar a energia libertada por esses eventos, os autores encontraram valores compatíveis com o que os raios cósmicos de energia máxima exigem.

Kohta Murase, físico da Universidade Estadual da Pensilvânia e um dos líderes do trabalho, destaca as mortes de estrelas massivas e as colisões de estrelas de neutrões como as fábricas mais prováveis. Ambos os fenómenos são raros - e extraordinariamente violentos.

Além disso, uma partícula mais pesada se curva com mais intensidade nos campos magnéticos. Assim, o pedaço de céu aparentemente vazio de onde veio a partícula Amaterasu não precisa ser o seu verdadeiro “endereço”: a fonte real pode estar deslocada, mascarada pela trajetória encurvada.

O que vem a seguir

Nada disso identifica qual objeto, em particular, produziu a partícula Amaterasu. O que o trabalho afirma com mais solidez é outra coisa: pela primeira vez, cálculos indicam que os raios cósmicos mais pesados conseguem sobreviver à travessia.

A energia também se encaixa no que estrelas moribundas e colisões estelares conseguem fornecer. Isso aproxima dois grandes enigmas: a origem das partículas mais energéticas e a origem dos elementos mais pesados.

Uma análise independente chega a uma ligação semelhante no caso das colisões de estrelas de neutrões. E a hipótese, além disso, faz uma previsão direta e testável.

Se essas partículas forem de facto raios cósmicos ultra-pesados, a próxima geração de detectores deverá encontrar que os eventos mais energéticos são mais pesados do que o ferro - exatamente onde modelos baseados em partículas mais leves esperariam encontrar quase nenhum.

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