No observatório High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), 13.000 pés acima do nível do mar no vulcão Sierra Negra do México, pesquisadores estão dando uma olhada em um mistério violento na galáxia da Via Láctea. Uma equipe de pesquisa internacional coliderada pelo Laboratório Nacional de Los Alamos observou raios gama de energia ultra-alta em mais de 100 teraelétrons volts, rastreando sua origem até o centro galático pela primeira vez.

"Esses resultados são um vislumbre do centro da Via Láctea com energias de uma ordem de magnitude mais altas do que nunca vistas antes", disse Pat Harding, físico de Los Alamos e principal pesquisador do projeto no Departamento de Energia.

O observatório HAWC vem coletando dados há mais de sete anos. Ao fazer isso, os pesquisadores observaram quase 100 eventos de raios gama com energia de mais de 100 teraeletron volts.

Conforme descrito em uma análise liderada por Sohyoun Yu Cárcaron publicada no The Astrophysical Journal Letters , esses dados permitem que as interações dos raios cósmicos com o PeVatron sejam diretamente estudadas e comparadas com outras observações, ajudando a determinar os processos de emissão e a localização — bem no centro da Via Láctea.

O PeVatron em si continua sendo um fenômeno não muito bem compreendido, mas o fato de sua existência em qualquer forma que assuma aponta para o regime violento no centro galáctico. Sabe-se que essa região da Via Láctea inclui um buraco negro supermassivo cercado por estrelas de nêutrons e anãs brancas que retiram material de estrelas próximas.

A área é envolta por densas nuvens de gás que atingem temperaturas de milhões de graus e tendem a impedir muita observação óptica direta da região.

A observação de raios gama, portanto, prova ser crítica para iluminar os processos cósmicos em ação naquele ambiente extremo. Raios gama de ultra-alta energia se originam com a presença de uma fonte PeVatron, que acelera partículas a um milhão de bilhões de elétron-volts (PeV) em energia, um quatrilhão de vezes mais poderoso do que as partículas de luz que saem de uma lâmpada.

Os prótons de raios cósmicos gerados pelo PeVatron viajam a mais de 99% da velocidade da luz, interagindo com gás ambiente denso e resultando em raios gama de energia ultra-alta.

A natureza exata dos PeVatrons permanece um mistério, no entanto. As energias envolvidas apontam para alguns dos processos mais violentos concebíveis no universo: a morte de uma estrela em uma supernova, os choques e a radiação que acompanham o nascimento rico em fusão de uma estrela, um buraco negro engolindo outro buraco negro.

"Muitos desses processos são tão raros que você não esperaria que eles estivessem acontecendo em nossa galáxia, ou eles ocorrem em escalas que não se correlacionam com o tamanho de nossa galáxia", disse Harding. Por exemplo, um buraco negro devorando outro buraco negro seria um evento esperado apenas fora de nossa galáxia."

HAWC é um experimento único projetado para capturar os relativamente poucos raios gama de ultra-alta energia que podem viajar distâncias interestelares e atingir a Terra. Nas encostas do vulcão Sierra Negra, 300 silos de grãos são preenchidos com água, o fundo de cada silo revestido com detectores fotomultiplicadores.

Quando as partículas de ultra-alta energia atingem a atmosfera da Terra, elas se quebram em extensos chuveiros de ar de partículas de menor energia. Conforme as partículas carregadas passam pelos tanques a uma velocidade que ultrapassa a velocidade de fase da água, elas produzem luz Cherenkov, ou radiação Cherenkov, um brilho azul — um efeito um tanto similar ao estrondo sônico auditivo.

Os pesquisadores então analisaram a distribuição temporal das partículas detectadas nos tanques para entender os regimes de energia em jogo, deduzindo as origens das partículas como raios gama de energia ultra-alta.

O experimento do observatório HAWC foi construído sobre o inovador experimento Milagro, um observatório de raios gama com um lago de água de 5 milhões de galões e 700 detectores de luz nas Montanhas Jemez, fora de Los Alamos. Milagro coletou dados até 2008, e então os pesquisadores se mudaram para o sul, para o observatório HAWC, para poder capturar partículas mais próximas do centro galático .

A equipe de pesquisa planeja estender suas descobertas do observatório HAWC e estreitar o local específico da fonte PeVatron com um novo experimento, o Observatório de Raios Gama de Campo Amplo do Sul, uma instalação que está sendo construída no Deserto do Atacama, no Chile. Com essa janela mais ampla para o centro da Via Láctea, a ciência pode ter uma visão mais próxima do mistério no coração da nossa galáxia.