Reconexão magnética e turbulência explicam raios cósmicos superenergéticos

Com informações da Agência Fapesp - 04/01/2024

Distribuição das partículas nos pontos de reconexão magnética do jato, com as linhas de força do campo magnético distorcidas por efeito de turbulência.
[Imagem: Tania E. Medina-Torrejón et al. - 10.3847/1538-4357/acd699]

Energia dos raios cósmicos

Raios cósmicos chegam à Terra o tempo todo, vindos do Sol, de outras regiões da Via Láctea ou mesmo de galáxias distantes. Mas esses raios primários também geram raios cósmicos locais, que se formam na própria atmosfera terrestre pela interação das partículas que vêm de longe com a matéria local.

Para raios cósmicos de energias menores, de até 10¹¹ elétrons-volts (eV), a frequência é de um por metro quadrado por segundo. Mas existem raios cósmicos de energias extremamente altas, que podem chegar a 10²⁰ eV. Estes são bem mais raros e aparecem com uma frequência de um por quilômetro quadrado por século.

Para se ter ideia do que significam 10²⁰ eV, basta dizer que, no Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior colisor de partículas da atualidade, o máximo de energia conferida a uma partícula é da ordem de 10¹³ eV. Isso significa que os raios cósmicos de energia extremamente alta são até 10 milhões de vezes mais energéticos.

O modelo-padrão da física explica a aceleração das partículas de energias menores por ondas de choque: Propelidas pela frente de onda, as partículas sofrem sucessivas colisões, o que as acelera cada vez mais. Porém, esse modelo parece não funcionar para as partículas de energias extremamente altas.

E, nesses casos, uma explicação alternativa precisa ser encontrada. Foi o que fez agora um grupo de pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP), em um artigo que teve uma recepção tão favorável que constou da sessão "Destaques da Pesquisa" da revista Nature Astronomy.

Núcleos ativos de galáxias

Os pesquisadores estudaram especificamente a aceleração de partículas em jatos relativísticos - próximos à velocidade da luz - oriundos de núcleos ativos de galáxias, a estrutura central que se acredita ser "acionada" por um gigantesco buraco negro.

"Por simulação computacional, nós verificamos que a aceleração das partículas em jatos de núcleos ativos de galáxias é causada por reconexão magnética e maximizada por efeitos de turbulência," contou Elisabete Dal Pino, membro da equipe.

Devido à rotação do disco de acreção formado pela matéria que colapsa no buraco negro existente no núcleo ativo de galáxia, os jatos rebatidos pelo buraco negro nos dois sentidos da direção ortogonal ao disco são dotados de campos magnéticos helicoidais. A simulação recriou uma porção do jato próxima ao buraco negro e injetou nela as partículas de teste.

Como as linhas de campo de polaridades opostas se atraem, isso produz uma incessante reconfiguração do campo. As partículas são aceleradas nos locais de reconexão magnética principalmente por meio do chamado 'processo de Fermi', analogamente ao que acontece na aceleração por ondas de choque.

"Essa explicação foi proposta pela primeira vez em 2005, por mim e por Alex Lazarian, pesquisador da Universidade de Wisconsin. Nesse processo, partículas aprisionadas entre as linhas de campo magnético que sofrem reconexão colidem várias vezes com flutuações magnéticas. Isso acarreta a aceleração e o crescimento exponencial da energia dessas partículas. No jato, as turbulências no interior do fluxo, distorcendo as linhas de força, criam pontos de reconexão cada vez mais rápida. Aceleradas nessas regiões de reconexão através das linhas de campo, as partículas alcançam velocidades muito próximas à da luz," detalhou Elisabete.

A aceleração por reconexão pode explicar as ocorrências dos fenômenos mais energéticos observados nos jatos de núcleos ativos de galáxias, com a emissão de raios gama e neutrinos.

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