&bala; Física 17, 165
Uma nova análise de mais de uma década de observações estende o espectro dos elétrons dos raios cósmicos a altas energias sem precedentes.
Os elétrons e pósitrons dos raios cósmicos, embora em número muito menor do que os prótons e outros núcleos dos raios cósmicos, fornecem informações essenciais sobre os processos de alta energia que ocorrem em nossa Galáxia. A Colaboração do Sistema Estereoscópico de Alta Energia (HESS) fez um avanço significativo neste campo com sua medição altamente detalhada do espectro de elétrons e pósitrons dos raios cósmicos, estendendo-se até impressionantes 40 TeV (1). Medições anteriores deste espectro terminaram abaixo de 5 TeV (2, 3). Os dados da equipa HESS, recolhidos ao longo de 12 anos, revelam detalhes sem precedentes, especialmente em torno de uma “quebra” distinta em aproximadamente 1 TeV, onde a inclinação espectral aumenta. Os resultados confirmam que esta quebra está entre as características mais proeminentes e enigmáticas em todo o espectro dos raios cósmicos, representando um desafio à nossa compreensão das origens dos raios cósmicos galácticos. Além disso, a lei de potência quase indefinida detectada além da ruptura, sustentada ao longo de uma ordem de grandeza completa em energia, impõe restrições significativas ao papel das fontes locais que contribuem para o fluxo medido, bem como aos mecanismos de produção alternativos, como o possível aniquilação ou decomposição de partículas de matéria escura na By way of Láctea. Com estas medições inovadoras, obtemos agora informações mais claras sobre os aceleradores de raios cósmicos locais e sobre como as partículas de alta energia se propagam através da Galáxia.
Os elétrons dos raios cósmicos são partículas de alta energia que perdem energia rapidamente enquanto viajam pela Galáxia, principalmente devido às interações com os campos magnéticos galácticos e a radiação de fundo. Esta perda de energia limita o seu alcance de propagação – especialmente em altas energias – aumentando a esperança de detectar assinaturas no espectro de partículas de aceleradores de raios cósmicos próximos. Ao identificar estes aceleradores locais – muito provavelmente pulsares e remanescentes de supernovas – poderemos descobrir as fontes dos raios cósmicos. Outra motivação para explorar a extremidade de alta energia do espectro reside no potencial para detectar elétrons de raios cósmicos produzidos através de processos exóticos, como a aniquilação de matéria escura, que pode ser mais observável em energias mais altas, onde os fluxos astrofísicos convencionais diminuem.
Um desafio primário na medição dos elétrons dos raios cósmicos, especialmente através de métodos indiretos, como o usado pela Colaboração HESS, é distingui-los dos prótons e outros núcleos dos raios cósmicos, muito mais abundantes. O trabalho da Colaboração HESS é notável pelo quantity substancial de dados de alta qualidade que acumulou. Usando uma série de telescópios Cherenkov na Namíbia (Fig. 1), a equipe refinou técnicas de discriminação de partículas para alcançar uma taxa de rejeição de prótons de 10.000 para 1, permitindo que eventos de elétrons fossem isolados com alta confiança (o espectro também inclui a contribuição de pósitrons de raios cósmicos). O espectro eletrônico de raios cósmicos resultante é melhor descrito por uma lei de potência quebrada: abaixo de 1 TeV o índice espectral (o expoente da lei de potência) é de cerca de 3,25, enquanto acima de 1 TeV ele aumenta significativamente para aproximadamente 4,49 (Fig. 2). Um índice espectral maior significa que o fluxo de raios cósmicos diminui mais rapidamente em energias mais altas.
A quebra espectral em 1 TeV já havia sido identificada por experimentos espaciais como CALET e DAMPE (2, 3); no entanto, esses experimentos não tinham a capacidade de estender as medições para a faixa multi-TeV, o que é essencial para a compreensão da origem da ruptura. Inicialmente, pensava-se que este aumento do espectro resultava de perdas de energia à medida que os electrões viajavam através da Galáxia. No entanto, medições recentes de núcleos de raios cósmicos, como a proporção boro-carbono observada pelo AMS-02 (outro experimento baseado no espaço), CALET e DAMPE (4–6), sugerem que o tempo de residência dos raios cósmicos nesta energia é incompatível com o fato de a ruptura ser causada principalmente pela simples perda de energia. Além disso, o HESS mostrou que a quebra em 1 TeV é mais acentuada do que o esperado anteriormente, o que é inconsistente com uma origem enraizada na propagação difusiva destas partículas através da Galáxia.
Uma explicação alternativa postula que a ruptura pode surgir da influência de um número limitado de fontes próximas. No entanto, com medições mostrando uma lei de potência indefinida que se estende até 40 TeV, o HESS impõe restrições rígidas ao papel de tais fontes locais, cuja contribuição para o fluxo observado deverá incluir saliências e vales. Dada a falta de uma explicação convincente, é provável que estas descobertas conduzam a uma reavaliação dos modelos de aceleração dos raios cósmicos, especialmente para os electrões, na busca de compreender como os aceleradores galácticos energizam estas partículas desde o meio interestelar frio até velocidades relativísticas. A falta de características desta lei de potência além de 1 TeV também é notável especificamente pela falta de um pico distinto em torno de 1,4 TeV. Anteriormente, indícios de tal pico haviam sido detectados em dados do DAMPE, que alguns especularam que poderiam indicar uma assinatura de matéria escura (7).
As implicações dessas descobertas são substanciais. Por um lado, eles restringem os candidatos potenciais para fontes próximas de elétrons de raios cósmicos. Embora a aniquilação da matéria escura se torne menos provável como explicação, fontes mais convencionais, como pulsares ou remanescentes de supernovas, permanecem plausíveis. Este trabalho também levanta questões intrigantes sobre os mecanismos que governam a propagação de partículas em energias tão altas. A pesquisa futura provavelmente se concentrará em melhorar ainda mais a discriminação de partículas, potencialmente através de técnicas de aprendizado de máquina, e na extensão da faixa de energia das medições diretas para capturar elétrons de energia ainda mais alta. A Colaboração HESS estabeleceu um novo padrão na física dos raios cósmicos, mas ainda há muito a descobrir sobre o Universo de alta energia.
Referências
- F. Aharoniano e outros. (Colaboração HESS), “Medição de alta estatística do espectro de elétrons de raios cósmicos com HESS,” Física. Rev. 133221001 (2024).
- O. Adriani e outros. (Colaboração CALET), “Medição estendida do espectro de elétrons e pósitrons dos raios cósmicos de 11 GeV a 4,8 TeV com o Telescópio Eletrônico Calorimétrico na Estação Espacial Internacional,” Física. Rev. 120261102 (2018).
- Colaboração DAMPE, “Detecção direta de uma quebra no espectro de raios cósmicos teraelétron-volt de elétrons e pósitrons,” Natureza 55263 (2017).
- M. Aguilar e outros. (Colaboração AMS), “Medição de precisão da relação entre boro e fluxo de carbono em raios cósmicos de 1,9 GV a 2,6 TV com o Espectrômetro Magnético Alfa na Estação Espacial Internacional,” Física. Rev. 117231102 (2016).
- O. Adriani e outros. (Colaboração CALET), “Fluxo de boro de raios cósmicos medido a partir de 8,4 GeV/n a 3,8 TeV/n com o Telescópio Eletrônico Calorimétrico na Estação Espacial Internacional,” Física. Rev. 129251103 (2022).
- Colaboração DAMPE, “Detecção de endurecimentos espectrais em razões de fluxo de boro para carbono e boro para oxigênio de raios cósmicos com DAMPE,” Ciência. Touro. 672162 (2022).
- Y.-Z. Fã e outros.“Um modelo que explica as massas de neutrinos e o excesso de elétrons dos raios cósmicos DAMPE,” Física. Vamos. B 78183 (2018).
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