Supernovas e a estrela de Tycho podem explicar os PeVatrons dos raios cósmicos

Em algum ponto da nossa galáxia, existem motores capazes de empurrar fragmentos atômicos a velocidades que chegam a um triz da velocidade da luz.

À primeira vista, as mortes explosivas das estrelas parecem o cenário mais óbvio para procurar a origem desses projéteis cósmicos extremamente energéticos. Ainda assim, quando o assunto são as partículas mais potentes, pesquisadores vinham levantando dúvidas.

Motores galácticos e a origem dos raios cósmicos

Há mais de um século, cientistas vasculham o céu em busca de fenômenos que possam explicar o chuvisco relativamente constante de núcleos atômicos - e, de vez em quando, elétrons - que atinge o nosso planeta.

Rastrear a trajetória dessas partículas, porém, seria como encontrar uma garrafa na areia e tentar adivinhar, olhando para o horizonte, de onde ela veio. Por serem carregados eletricamente, a maioria dos raios cósmicos fica à mercê de um mar turbulento de campos magnéticos pela galáxia e além, o que obriga os pesquisadores a buscar outras pistas.

A estrela de Tycho e as dúvidas sobre supernovas

A poucos milhares de anos-luz, no nosso “quintal” galáctico, a supernova histórica conhecida como estrela de Tycho vem sendo investigada em busca de sinais de uma física capaz de acelerar partículas carregadas.

Em 1572, astrônomos se impressionaram com o brilho repentino do astro - hoje entendido como o ato final de uma anã branca ao terminar sua vida em uma catástrofe termonuclear. À medida que o núcleo colapsava sob o próprio peso, a explosão de calor e radiação se chocou contra a concha de gases ao redor, criando campos magnéticos imensos.

Em 2023, pesquisadores publicaram uma análise desses campos e concluíram que a capacidade deles de produzir raios cósmicos era “significativamente menor” do que a prevista por modelos existentes.

Isso não elimina a hipótese de que estrelas em colapso possam agir como aceleradores de partículas, mas coloca em xeque quanta energia, de fato, elas conseguem entregar.

PeVatrons: quando remanescentes de supernova viram aceleradores extremos

De tempos em tempos, a Terra é atingida por verdadeiros monstros - partículas até mil vezes mais energéticas do que qualquer coisa que a nossa tecnologia já tenha conseguido gerar. Essas energias na faixa de peta-elétron-volt (PeV) seriam produzidas por motores cósmicos hipotéticos chamados de PeVatrons.

Simulações numéricas feitas por uma pequena equipe internacional de físicos podem, no entanto, fortalecer a teoria de que supernovas geram emissões de raios cósmicos nas energias mais altas. A ideia é que exista uma janela curta em que uma estrela em colapso ainda pode se transformar no acelerador mais extremo do Universo.

Para o astrofísico Robert Brose, da Universidade de Potsdam (Alemanha), Iurii Sushch, do Centro Espanhol de Pesquisas sobre Energia, Meio Ambiente e Tecnologia, e Jonathan Mackey, do Instituto de Estudos Avançados de Dublin, estrelas moribundas talvez sejam justamente os PeVatrons que os cientistas procuram.

Segundo o cenário descrito por eles, para funcionar a estrela precisa primeiro expelir material suficiente para formar uma concha densa ao seu redor. Em seguida, no instante da supernova, a onda de choque que se expande rapidamente se arrebenta contra esse ambiente compacto, produzindo a turbulência magnética necessária para “chicotear” núcleos e elétrons até níveis de aceleração na casa dos PeV.

O ponto decisivo, afirmam, é o tempo: apenas durante a primeira década ou duas a concha ao redor ainda permanece densa o bastante para gerar a turbulência exigida para que as partículas alcancem as maiores energias.

“É possível que apenas remanescentes de supernova muito jovens evoluindo em ambientes densos satisfaçam as condições necessárias para acelerar partículas a energias de PeV”, escreve a equipe.

Se a estrela de Tycho tivesse “segurado o fôlego” por mais alguns séculos, astrofísicos talvez tivessem registrado uma chuva de raios cósmicos no patamar mais alto.

Quem sabe, em um futuro próximo, o fim violento de outra estrela nas redondezas ofereça a oportunidade necessária para, enfim, resolver o enigma dos PeVatrons.

Esta pesquisa foi aceita para publicação em Astronomia e Astrofísica.