No âmbito da física costumamos ouvir notícias sobre os mais variados temas. Temos muitos dados, muitos artigos publicados, em geral muita informação. Para nós cientistas, e estudantes é comum ouvir sobre certas coisas que as vezes acabam por não abranger um público mais geral – de pessoas que não são diretamente ligadas com a ciência.

Todos adoramos astronomia, o universo e seus mistérios. Você, com certeza, já ouviu falar sobre a “bizarra” física quântica e seus peculiares fenômenos, assim como da astrofísica e suas complexidades. Agora, o que muitas pessoas não sabem é que existe uma área da astronomia voltada diretamente ao estudo destes dois campos de conhecimento, que talvez para alguns não pareça ter uma relação muito clara, a Astrofísica de Partículas.

É uma área bastante vasta com informações demais para um só texto, o que farei aqui será apenas apresentar esta linda área da astronomia e alguns de seus fenômenos associados.

Com a evolução da ciência, novas tecnologias vão aparecendo, e foi exatamente dai que começaram a surgir os detectores de partículas. Com a evolução destes novas possibilidades surgiram, e estas por sua vez nos apresentaram todo um mundo novo de fenômenos até então desconhecidos.

Raios Cósmicos

Em 1912, um físico chamado Victor Hess fez um voo de balão que mudaria a história da ciência. Pegou seu balão e subiu cerca de 5,3 km acima do nível do mar para medir a taxa de ionização da atmosfera. Comparando com o valor já conhecido desta taxa ao nível do mar ele descobriu que o valor era cerca de três vezes mais alto, acima na atmosfera. Acabou por concluir então que radiação ionizante estava adentrando no planeta vinda do espaço – essa radiação ionizante pode ser entendida como uma radiação que tem energia suficiente para “libertar” elétrons dos átomos, assim ionizando-os.

Ele não sabia mas tinha acabado de fazer uma descoberta extraordinária que posteriormente chamaríamos de raios cósmicos.

Bom, mas o quê realmente são esses raios cósmicos?

Basicamente são partículas de alta energia que vem do espaço profundo e por um acaso acabam encontrando a nossa atmosfera. Percentualmente temos que aproximadamente: 89% destas partículas são prótons – núcleos de hidrogênio, 10% são núcleos de hélio (2 prótons e 2 nêutrons ligados ente si) e 1% são núcleos mais pesados – podendo até serem de urânio!

Quando esses “raios” colidem com átomos em nossa atmosfera criando novas partículas – em sua maioria píons. Estas partículas podem também colidir com outros átomos e criar mais partículas ainda, ou até mesmo decair em partículas que não interagem muito com a matéria, que por sua vez vão seguir todo o caminho até nossa crosta terrestre – mais conhecido como chão. Toda essa “reação em cadeia” gera um fenômeno apelidado de Chuveiro Atmosférico Extenso – chuveiro pode ser um nome esquisito escolhido pelos físicos, mas olhando a figura abaixo faz total sentido.

Modelo de um chuveiro atmosférico extenso. Crédito: Petr Trávnícek, doctoral tesis, Charles University, Prage

É claro que você nunca vai ver um desses sobre a sua cabeça – pois estas partículas não são visíveis a olho nu. Mas é um evento até que bastante recorrente, a média de múons que atingem o solo é da taxa de 1 por segundo em um volume do tamanho da cabeça de uma pessoafísicos e suas analogias.

Diferenciação de modelos de chuveiros atmosféricos extensos. Dependem da partícula que o origina.

A imagem acima mostra bem como esses “chuveiros” podem ter formas bem distintas dependendo de qual partícula carregada interage com a atmosfera, pois partículas diferentes implicam em desencadeamentos de reações diferentes.

Ainda temos na imagem, mais precisamente no ‘chuveiro’ da extrema esquerda, que o mesmo não provém de um núcleo atômico, entretanto de radiação eletromagnética na faixa dos raios gama!

Erupções de Raios Gama

Um outro evento interessante – talvez até um tanto perigoso, são as erupções de raios gama. Mas primeiramente, precisamos saber o quê são raios gama.

Sabemos da mecânica quântica – talvez você não saiba disso ainda, mas é um tanto simples – que existe uma relação entre a frequência de um fóton e sua energia, que é dada por:

Sendo ‘v’ a frequência do fóton, ‘h’ a constante de Planck – de onde esta constante saiu não é importante agora, só lembre-se de que ela tem um valor único – e claro ‘E’ a energia do fóton. Bom, não é difícil perceber que quanto mais alta for a frequência do fóton mais alta será a energia associada.

Espectro eletromagnético. Cada intervalo representa um tipo diferente de radiação eletromagnética, que vão das ondas de rádio (menos energéticas) até os raios gama (mais energéticos). Crédito: Peter Hermes Furian / Shutterstock.com

A Radiação gama é um dos extremos do espectro eletromagnético, são os fótons que possuem os menores comprimentos de onda, por sua vez as maiores frequências. Portanto a radiação gama é a radiação eletromagnética mais energética que existe. Um único fóton na faixa dos raios gama é mais energético que milhões de fótons na faixa do visível!

Bom, agora que você já sabe o que é a radiação gama pode começar a entender o quê são essas erupções de raios gama.

São ‘flashes’ de radiação gama que podem durar de poucos milissegundos até alguns segundos e podem brilhar centenas de vezes mais que uma supernova. São eventos realmente muito poderosos – tão poderosos que se algum acorre-se próximo ao nosso planeta e esta erupção nos acertasse, a vida aqui deixaria de existir.

Curiosamente foram descobertos por acaso nos anos 70’s quando satélites militares monitoravam o planeta em busca de violações do acordo de banimento de testes nucleares – explosões nucleares liberam ‘flashes’ de radiação gama, claro que não tão poderosos quanto as erupções de raios gama. Mas os satélites acabaram por detectar esses ‘flashes’ vindos do espaço! Sendo assim descobertas as Erupções de Raios Gama, (Gamma Ray Bursts / GRBs) do termo em inglês.

Mas como essas erupções são originadas?

Ao que sabemos hoje, podem ser originadas em eventos muito extremos como o colapso gravitacional de uma estrela para se tornar um buraco negro em uma hipernova, ou até na colisão de duas estrelas de nêutrons.

Ilustração de uma erupção de raios gama. Crédito: YouTube Kurzgesagt – In a Nutshell

Uma das hipóteses é de que nesses eventos um disco de plasma superaquecido é originado e de certa forma é ‘enlaçado’ pelo campo magnético do objeto resultando em uma ejeção – ou erupção, que pode ser vista até como um ‘tiro’ de radiação de alta energia.

Representação da evolução de uma estrela de alta massa até o colapso em um buraco negro, com uma erupção de raios gama. Crédito: National Science Foundation

A imagem acima mostra bem o colapso de uma estrela em um buraco negro, com a excepcionalidade de neste caso a estrela ser tão massiva – também somando com a sua rotação, que a matéria que sobra em seu exterior se molda em um disco superaquecido de plasma, que origina os GRBs descritos acima.

Emissão extragaláctica de raios gama. Crédito: D. Milisavljevic et al.

O ramo da Astrofísica em geral é muito vasto, com uma quantidade enorme de fenômenos e propriedades – que até podem ser muito bizarras, muitos deles (a maioria) ainda são assuntos atuais de pesquisa, no futuro trarei ‘coisas’ mais atuais de pesquisa nesta maravilhosa área da Astronomia.

Fontes

http://earthsky.org/space/gamma-ray-bursts-are-the-most-powerful-explosions-in-the-universe

https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/bursts1.html

https://home.cern/about/physics/cosmic-rays-particles-outer-space

Marco Laversveiler

Graduando de Astronomia pelo Observatório do Valongo da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), interessado principalmente nas áreas de Astrofísica Relativística, Estelar e de Altas Energias.

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