O que são os Raios Cósmicos?
A história das pesquisas sobre a radiação cósmica é uma verdadeira história de aventura. Por três quartos de século, os pesquisadores de raios cósmicos, na tentativa de entender essas misteriosas e rapidíssimas partículas que vêm do espaço interestelar, fizeram de tudo: escalaram montanhas, mergulharam no fundo do mar, em profundas minas, em longos túneis, subiram em balões de ar quente e percorreram os mais remotos cantos do planeta. Suas explorações sem fim elucidaram vários mistérios mas também revelaram a existência de muitos outros.
Entre os pioneiros, podemos mencionar: o intrépido Viktor Hess, voando perigosamente com seus balões já no começo deste século; Millikan e Compton, viajando ao redor do mundo para medir a intensidade da radiação; Anderson, o descobridor da antimatéria; Pierre Auger, o descobridor dos grandeschuveiros de partículas; César Lattes, Occhialini e Powel, descobrindo o méson pi; Fermi, propondo a teoria para explicar os mecanismos de aceleração dessas partículas.
2. Raios Cósmicos?
Os Raios Cósmicos são partículas rapidíssimas que provêm do espaço exterior e bombardeiam constantemente a terra, de todos os lados. A cada segundo, cerca de 200 dessas partículas com energias de alguns milhões de eletrons-volts (10
6eV) atingem cada metro quadrado de nosso planeta. Existe um número enorme desses raios cósmicos de baixa energia, mas os de maior energia são em número muito menor. Acima de
1018eV, chega apenas uma partícula por semana em uma área de 1 quilomêtro quadrado. Acima de
1020eV, esse número cai para uma partícula por quilômetro quadrado por século! Para encontrar e medir essas partículas, os físicos de raios cósmicos precisam esperar séculos ou então construir gigantescos detectores.
3. Sua energia
A maior parte das partículas da radiação cósmica são ou núcleos de átomos ou eletrons. Dos núcleos, a maioria são núcleos de hidrogênio, mas existem também alguns mais pesados, chegando até aos núcleos de átomos de chumbo.
Os raios cósmicos viajam pelo espaço praticamente com a velocidade da luz, isso significa que eles têm uma enorme energia. Alguns deles, de fato, são as partículas mais energéticas jamais observadas na natureza. Os de maior energia são uma centena de milhões de vezes mais energéticos do qualquer outra partícula produzida nos maiores aceleradores de partículas do mundo.
Ninguém sabe de onde vêm essas misteriosas partículas. A grande parte dos de menor energia vem do sol e de nossa própria Galáxia, a Via Láctea. Muitos provavelmente vêm de explosões de estrelas, as Supernovas.
Algumas vezes, eles devem receber energia de campos magnéticos em movimento, que eles encontram em seu peregrinar incansável pela Galáxia.
O grande físico italiano Enrico Fermi foi o primeiro a dar uma explicação sobre como essas partículas adquirem energia. No acelerador de raios cósmicos de Fermi, os protons rebatem em nuvens magnéticas em movimento pelo espaço interestelar. Apesar de tanto os raios cósmicos como as nuvens terem movimento ao acaso, de vez em quando as direções podem ser tais que as partículas ganham energia. Esse processo é bem entendido para partículas de baixa energia aceleradas por campos magnéticos produzidos pelo sol. Em nossa galáxia, os pesquisadores acreditam que nuvens magnéticas muito intensas em movimento e produzidas em explosões de supernovas são as responsáveis pela energia para a aceleração.
4. Situação atual
Atualmente, há evidências de que acima de 1020 eV
essas partículas são protons. Sendo assim, a sua origem não está dentro de nossa galáxia, pois os protons se propagam em linha reta e as fontes dentro de nossa galáxia seriam rapidamente identificadas. Entretanto, as direções de onde eles vêm têm uma distribuição isotrópica (todas são igualmente prováveis), dentro dos erros estatísticos, mesmo acima de
1020eV
onde apenas um punhado de eventos foi registrado. Esse resultado é extremamente paradoxal, pois fontes de radiação a grandes distâncias (acima de 30 Mpc) devem ser excluidas. O ponto é que acima de
4x1019
eV os protons e os núcleos mais pesados interagem com a radiação de fundo primordial de 2.7 K (proveniente do Big-Bang, a grande explosão que deu origem ao universo) através de reações nucleares bem conhecidas, perdendo assim rapidamente a sua energia.
A existência de um evento com
3x1020 eV (o de maior energia visto até hoje)
indica que a origem deve estar a menos de 20 Mpc da terra. Entretanto, as direções de chegada deste evento e de outros com energias próximas não apontam para nenhum objeto extremamente energético na nossa galáxia ou em outro lugar. A não existência de processos eletromagnéticos que poderiam acelerar as partículas até essas energias levou até a se especular que elas poderiam ter sido produzidas em colapsos de cordas cósmicas com massa, que seriam restos topológicos do universo primitivo.
5. A Colaboração Pierre Auger
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O físicos acreditam que os raios cósmicos de maior energia provêm de fontes de fora da Via Láctea - mas onde?
Há alguma coisa lá fora, não sabemos o que e nem onde, que está disparando pelo universo afora partículas incrivelmente energéticas. Será que elas vêm de alguma superpotente explosão cósmica ainda desconhecida? De algum enorme Buraco Negro sugando estrelas para uma morte violenta? Do colapso de restos invisíveis da explosão que deu origem ao universo? Não sabemos a resposta, mas sabemos que resolvendo o mistério dos raios cósmicos de alta energia os físicos terão dado mais um passo para o entendimento do universo.
Os eventos de altíssima energia detectados até agora são resultado dos esfoços independentes de grupos de quatro diferentes paises.
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Para permitir um melhor estudo desses eventos, um grupo de físicos de 15 paises
organizou a Colaboração Pierre Auger, assim chamada em homenagem ao descobridor dos chuveiros atmosféricos. Essa colaboração apresentou
uma proposta detalhada para a construção de um observatório mundial de raios cósmicos, usando um gigantesco conjunto de detectores para permitir o registro de um número maior de chuveiros atmosféricos com energias acima de
1019eV.
A identificação das fontes desconhecidas dessas partículas contribuirá para um melhor entendimento da origem e da evolução do universo.
No Brasil, as seguintes instituições estão envolvidas no projeto:
Universidade de São Paulo,
Laboratório de Física Experimental (LAFEX/CBPF),
Pontíficia Universidade Católica do Rio de Janeiro,
Universidade Federal da Bahia ,
Universidade Federal Fluminense,
Universidade Federal da Paraíba e
Universidade do Estado do Rio de Janeiro.
O Secretário da colaboração é
Dr. Murat Boratav
, o Porta Voz é Prof. Jim Cronin ,
o Gerente do Observatório do Hemisfério Sul é Dr. Alberto Etchegoyen
e o Presidente do Conselho da Colaboração é Prof. Carlos Escobar .
A organização completa pode ser vista
aqui.
Na Unicamp participam, entre outros, Anderson Fauth, Armando Turtelli, Carlos Escobar,
Carola Dobrigkeit Chinellato,
Edison Hiroyuki Shibuya,
José Augusto Chinellato, Marcelo Guzzo, os Pós-Doutorandos
Hélio Nogima, Marcelo Leigui, Hugo Reis e
os estudantes de Doutorado Luís Gustavo dos Santos, Fernando Catalani e Ernesto Kemp.
6. O Observatório Pierre Auger
Medir diretamente as partículas da radiação cósmica (os primários) exige o envio de detectores a alturas acima da maior parte da atmosfera terrestre, usando balões e satélites. Entretanto, podemos também detectar os raios cósmicos indiretamente na superfície terrestre através das partículas que eles produzem ao interagir com os núcleos dos gases que compõem nossa atmosfera. Um chuveiro extenso ocorre quando uma partícula muito rápida (isso é, com muita energia) da radiação cósmica interage com uma molécula do ar no alto da atmosfera, provocando uma violenta colisão. Fragmentos dessa colisão são expelidos com altíssimas velocidades para todos os lados e tornam a colidir com mais moléculas do ar, em uma cascata que continua até que a energia da partícula original seja distribuida entre milhões de partículas que chovem sobre a terra em uma área de até 16 km2. Neste processo, a atmosfera absorve grande parte da energia dessas partículas e possibilita a sua detecção e medida.
Medindo este chuveiro atmosférico por dois processos diferentes, os cientistas do Observatório Pierre Auger podem determinar a direção e a energia da partícula primária que chegou na alta atmosfera. A primeira parte da detecção é feita com 1800 estações detectoras que formam um gigantesco retículo cobrindo uma área de 3500 km2. Essas estações estão a 1,5 km uma da outra e cada uma tem o tamanho de uma garagem para um carro médio. Cada uma delas é completamente autônoma, com sistemas individuais de localização via satélite (GPS) e de geração de energia elétrica com paineis solares. Os instrumentos nelas colocados medem o número de partículas que as atravessam. As partículas produzidas por um primário de alta energia chegam em várias estações praticamente no mesmo tempo (a diferença de tempo entre uma estação e outra depende da inclinação com elas chegam à terra). Quando elas chegam à estação, um pequeno computador dedicado conferirá via rádio com as outras estações vizinhas se ali também chegaram partículas, para ver se fazem parte de um grande chuveiro. Caso afirmativo, a informação sobre o chuveiro será transmitida via rádio para o centro de coleta de dados. Nesse centro, os computadores combinarão as medidas realizadas pelas várias estações sobre o número de partículas e seu tempo de chegada, para determinar a direção e a energia da partícula primária que deu origem ao chuveiro.
O detector medirá cerca de 50 raios cósmicos por ano com energias acima de
1020eV, juntamente com um grande número de eventos com energias menores.
Um segundo sistema de detecção utilizará uma fraca luz difusa produzida pelas colisões das partículas com as moléculas do ar durante o desenvolvimento do chuveiro. Em noites escuras e sem lua, em locais ermos e secos,
sensibilíssimos e calibradíssimos sensores de luz podem medir essa fluorescência (basicamente o mesmo processo físico que produz a luz em uma lâmpada fluorescente). Assim, um conjunto enorme de coletores de luz apontados para todas as direções do ceu pode ser um autêntico detector de raios cósmicos, observando os raios luminosos atravessando o ceu. A quantidade total de luz depende do número de partículas do chuveiro e, portanto, de sua energia. A forma e direção do raio de luz ajuda a determinar a direção de onde veio o raio cósmico e também que tipo de partícula era ele. O primeiro detector de fluorescência foi construido pela Universidade de Utah em Salt Lake City e é chamado de Olho de Mosca, pois é um olho multifacetado, olhando para todos os lados.
A Colaboração Pierre Auger construirá dois desses observatórios: um no hemisfério sul, na Argentina (
o primeiro a ser construido), e outro no hemisfério norte, nos
Estados Unidos.
Uma completa documentação sobre o projeto (em inglês) pode ser achada no site oficial da Colaboração
Auger.
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Atualizada em 5/X/98, 16:23 UT -0400.
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Muito do texto sobre o projeto Auger foi adaptado de um folheto da Coloboração e de um artigo de
Alan Watson. Informações gerais sobre raios cósmicos se basearam também no livro:
Cosmic Bullets, by Roger Clay & Bruce Dawson, 1997, Ed. Allen & Unwin, Australia.
Página desenvolvida com Arachnophilia e verificada com
Netscape Communicator,
version 4.06
A.Turtelli