Estudo revela que raios cósmicos ultrapotentes podem ser núcleos de elementos mais pesados que o ferro

Partículas de energia absurda cruzam o universo e atingem a Terra com uma força que ultrapassa em dezenas de milhões de vezes a capacidade do maior acelerador de partículas já construído pela humanidade.

Uma nova pesquisa publicada na revista Physical Review Letters sugere que o segredo por trás desses projéteis cósmicos pode estar na sua composição. Ao contrário do que se imaginava, os raios cósmicos de maior energia podem ser núcleos atômicos de elementos mais pesados que o ferro.

O mistério tem raízes profundas. Desde que o primeiro exemplo foi registrado, há mais de 60 anos, cientistas não conseguem explicar de onde vêm essas partículas nem como algo no universo é capaz de acelerá-las a velocidades tão extremas.

Um dos casos mais emblemáticos é a chamada ‘partícula Amaterasu’, batizada em homenagem à deusa japonesa do sol. Ela atingiu a Terra em 2021 com energia 40 milhões de vezes superior à das partículas aceleradas no Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo, operado pelo CERN na Europa.

A Amaterasu é considerada o segundo raio cósmico mais poderoso já detectado. Fica atrás apenas da lendária ‘partícula Oh-My-God’, registrada em 1991.

O que tornou a Amaterasu ainda mais perturbadora foi sua direção de origem: ela parece ter vindo de uma região praticamente vazia do espaço, sem nenhuma fonte óbvia que pudesse explicar tamanha energia. Esse detalhe é o que mais intriga a comunidade científica e motivou a nova investigação.

‘As origens e os mecanismos de aceleração dos raios cósmicos de altíssima energia estão entre os maiores mistérios da área há mais de 60 anos, desde que o primeiro exemplo foi reportado’, afirmou Kohta Murase, líder da pesquisa e professor do Eberly College of Science da Universidade Penn State. ‘Raios cósmicos de altíssima energia só podem ser acelerados por algumas das fontes mais poderosas do universo.’

Para tentar resolver o enigma, Murase e sua equipe realizaram simulações computacionais rastreando como raios cósmicos de diferentes massas perderiam energia ao percorrer vastas distâncias cósmicas até chegar à Terra. O resultado foi revelador: núcleos atômicos mais pesados que o ferro perdem energia muito mais lentamente do que partículas mais leves, como prótons, o que lhes confere uma vantagem decisiva na travessia interestelar.

‘Nossa pesquisa mostrou que, em energias comparáveis às da partícula Amaterasu, núcleos ultrapesados perdem energia mais lentamente do que prótons ou núcleos de massa intermediária, tornando-os mais capazes de sobreviver a distâncias cósmicas e chegar à Terra com energias extremas’, explicou Murase. ‘Não estamos dizendo que todos os raios cósmicos de altíssima energia são núcleos ultrapesados — mas se alguns dos eventos de maior energia forem núcleos ultrapesados, isso impactaria a forma como buscamos suas fontes.’

A questão central passa a ser: o que no universo seria capaz de produzir e lançar esses núcleos pesadíssimos com tamanha violência? Segundo os pesquisadores, os candidatos mais promissores são eventos cataclísmicos de escala astronômica, como a morte explosiva de estrelas massivas com colapso direto em buracos negros ou em estrelas de nêutrons fortemente magnetizadas, e a colisão entre duas estrelas de nêutrons.

Para contextualizar a brutalidade desses fenômenos: a matéria que compõe uma estrela de nêutrons é tão densa que uma colher de chá dela teria, na Terra, a massa equivalente a 85 mil baleias-azuis adultas. Comprimir um corpo com a massa do Sol inteiro em uma esfera de apenas 20 quilômetros de diâmetro já é um evento de violência inimaginável — e a colisão de dois desses objetos libera energia em escala ainda mais descomunal, gerando ondas gravitacionais detectáveis e explosões de raios gama entre as mais energéticas do universo.

‘Os locais mais promissores para produzir e acelerar esses núcleos ultrapesados são mortes de estrelas massivas envolvendo colapso explosivo em buracos negros ou estrelas de nêutrons fortemente magnetizadas, bem como fusões de estrelas de nêutrons binárias, conhecidas por serem poderosas emissoras de ondas gravitacionais’, detalhou Murase. ‘Esses fenômenos cósmicos violentos também podem alimentar explosões de raios gama, que estão entre as explosões mais energéticas do universo.’

A pesquisa, detalhada pelo portal Space.com, também aponta que a hipótese dos núcleos ultrapesados poderia explicar uma assimetria observada entre os céus do hemisfério norte e do hemisfério sul no espectro de raios cósmicos de altíssima energia. Se a composição mais pesada que o ferro for confirmada por dados futuros, os cientistas terão finalmente uma pista concreta para rastrear as fontes mais violentas e misteriosas do cosmos.