O Grande Colisor de Hádrons do CERN rotineiramente colide partículas a energias equivalentes a uma fração de segundo após o Big Bang. Se isso te preocupa, o seguinte fato ou vai te tranquilizar ou te assustar ainda mais. E isso é que uma partícula com a energia de uma colisão do LHC atinge cada quilômetro quadrado da Terra a cada segundo. E só recentemente descobrimos de onde vêm esses raios cósmicos.

Em 1912, Victor Hess fez um passeio de balão de ar quente e ganhou um Prêmio Nobel. Hess equipou o balão com dispositivos sensíveis a partículas eletricamente carregadas. À medida que o balão subia, as detecções de partículas aumentavam, quadruplicando na altitude máxima de 5 quilômetros. Hess se perguntou se essas partículas carregadas poderiam vir do Sol e repetiu o experimento à noite e durante um eclipse solar. Os resultados foram os mesmos. Ele concluiu que o próprio vasto espaço deve estar nos bombardeando com partículas carregadas energéticas. Dessa forma, os raios cósmicos foram descobertos. O Nobel de Hess veio algumas décadas depois.

Hoje, medimos rotineiramente os raios cósmicos com uma ampla gama de observatórios avançados — enormes arrays de detectores terrestres como o Observatório Pierre Auger na Argentina, ou detectores em órbita em satélites e na ISS. Mas por muito tempo, o mistério só se intensificou. Aprendemos que as energias dos raios cósmicos variam em 12 ordens de magnitude, até energias 10 milhões de vezes maiores que as do Grande Colisor de Hádrons. A mais energética de todas — a chamada partícula “oh-my-god” — tinha a energia cinética de uma bola de beisebol bem lançada.

Há pouco tempo publiquei um texto sobre a partícula “oh-my-god”, mas não entramos nos detalhes incríveis de como os raios cósmicos são realmente produzidos. E provavelmente deveríamos cobrir isso, porque a origem dos raios cósmicos permaneceu um mistério por um século após sua descoberta. Foi apenas uma década atrás que os cientistas chegaram a um consenso geral sobre a origem da maioria dos raios cósmicos — aqueles sem as energias mais ridículas vêm principalmente de estrelas em explosão. De supernovas. Ainda não sabemos sobre os mais energéticos, mas ao entender o processo complexo por trás dos raios gerados por supernovas, podemos propor mecanismos possíveis para os demais.

Então vamos ver como as estrelas em explosão podem agir como aceleradores de partículas. Para isso, precisamos de duas coisas: ondas de choque e campos magnéticos.

As ondas de choque são uma grande parte do que faz uma explosão ser uma explosão, em vez de um monte de gás quente se expandindo. Elas também são um ingrediente chave na produção de raios cósmicos. Vamos começar com ondas sonoras antes de chegarmos às ondas de choque. Estas são ondas de pressão — padrões oscilantes de alta e baixa pressão e densidade. Temos um evento inicial que comprime o ar, criando uma região de alta densidade. Essa região empurra as moléculas de ar ao redor, criando uma nova região de alta densidade no caminho, que empurra a região seguinte, e assim por diante. A onda se propaga à velocidade do som enquanto as moléculas de ar individuais apenas se movem para frente e para trás no lugar.

Uma onda de choque é o que acontece quando o evento inicial faz as partículas se moverem mais rápido que a velocidade do som no meio em que estão. Isso significa que as partículas ultrapassarão quaisquer ondas sonoras e, em vez de ricochetear para trás, continuarão avançando, varrendo o material por onde passam.

Fontes familiares de ondas de choque incluem veículos supersônicos ou meteoros, que empurram o ar à frente mais rápido que a velocidade do som. Ou qualquer explosão em que o material em expansão é supersônico.

Ondas de choque no espaço são bastante comuns, tanto de explosões quanto de objetos se movendo mais rápido que a velocidade local do som. Embora seja geralmente verdade que no espaço ninguém pode ouvir você gritar, isso não significa que não haja som no espaço. O gás entre as estrelas pode ser incrivelmente difuso, mas ainda está lá, o que significa que pode suportar ondas sonoras e, portanto, também pode experimentar ondas de choque.

Talvez o tipo mais famoso de explosão espacial seja a supernova. Quando o núcleo central de uma estrela massiva se funde em uma bola gigante de ferro e níquel, ele colapsa em uma estrela de nêutrons e libera uma quantidade prodigiosa de energia em neutrinos. Esses neutrinos varrem as camadas externas do núcleo em colapso, enviando-as a alguns por cento da velocidade da luz. Isso é muito mais rápido que a velocidade do som no meio interestelar, então temos uma onda de choque.

Mas alguns por cento da velocidade da luz não é a velocidade de 99.999 etc % da luz de alguns dos raios cósmicos que vimos. Foi Enrico Fermi quem descobriu como as ondas de choque de supernova podem acelerar partículas a velocidades muito maiores do que elas mesmas viajaram. Este é o mesmo Fermi que foi um dos fundadores da mecânica quântica, construiu o primeiro reator nuclear e se perguntou onde estão todos os alienígenas.

Na mesma época em que estávamos construindo nossos primeiros aceleradores de partículas na Terra usando campos magnéticos poderosos, Fermi percebeu que campos magnéticos também poderiam fazer o truque em supernovas. Todos sabemos que o Sol tem um campo magnético. Quando esse campo se emaranha, como está agora, temos tempestades magnéticas. Essas tempestades frequentemente entram em erupção, lançando nós de campo magnético e plasma energético no sistema solar. Então, se o Sol pode fazer isso repetidamente, imagine o que uma estrela em explosão pode fazer.

Vamos pensar sobre o magnetismo por um minuto. Cargas elétricas em movimento geram campos magnéticos com linhas de campo que se curvam ao redor da direção do movimento. E campos magnéticos geram uma força em partículas carregadas em movimento que fazem essas partículas circularem ao redor das linhas de campo. O resultado final é que campos magnéticos e as correntes que geram são auto-reforçantes. Em um plasma, campos magnéticos agem como vergalhões em concreto, reforçando o plasma, dando-lhe inércia e também moldando-o.

Então, quando uma estrela explode, seu campo magnético não desaparece simplesmente. Parte dele fica trancado na estrela de nêutrons ou no buraco negro resultante, mas o resto é arrastado para fora com o restante da explosão. A onda de choque em expansão é um tsunami de partículas carregadas e de campo magnético intenso.

Em uma explosão na atmosfera, a frente de choque de alta densidade de ar colide com o ar de menor densidade à frente, arrastando-o para a frente em propagação. Mas o meio interestelar é tão difuso que não esperamos muitas colisões com uma frente de supernova que se aproxima. Isso significaria que não há onda de choque, se não fossem pelos campos magnéticos — mas não apenas aqueles na frente de choque. Fracas tendas de campo magnético permeiam toda a galáxia, tecendo através do meio interestelar. Nossa frente de choque de supernova primeiro agarra este campo magnético do meio interestelar e o arrasta para a frente, e isso por sua vez arrasta o plasma do meio interestelar. Chamamos isso de choques sem colisão.

Vamos pensar sobre os dois componentes da frente de choque. Temos a matéria. O material da explosão está vindo rápido. Ele desacelera na frente de choque porque é onde estamos colidindo com o meio interestelar. Enquanto isso, o material no meio interestelar está sendo varrido e acelerado à medida que entra na frente. Então, se você é um próton viajando com a frente de choque, no seu quadro de referência, você vê o material se aproximando de ambos os lados.

Em seguida, temos os campos magnéticos. Atrás de você está o campo magnético da explosão, que se acumula à medida que desacelera se aproximando da frente, e à frente você tem o campo interestelar mais fraco, que também está se acumulando. Isso resulta em duas paredes de turbulência magnética.

Então nosso próton está se movimentando na frente de choque e se afasta, para frente ou para trás, não importa. Lá ele se encontra em um emaranhado magnético que está efetivamente se movendo em sua direção. Ele é desviado de volta para a frente e provavelmente ganha um pouco de energia

no processo devido ao movimento relativo do campo de desvio. E então ele sai pelo outro lado da frente e é desviado de volta novamente, ganhando um pouco mais de energia. Isso pode acontecer muitas e muitas vezes, acelerando o próton a velocidades enormes.

Este é o Mecanismo de Aceleração de Fermi, também conhecido como aceleração difusiva, porque as partículas se difundem ou saltam aleatoriamente através do choque e dos campos emaranhados. É assim que transformamos uma supernova em um acelerador de partículas. Na verdade, a semelhança com um acelerador de partículas artificial é mais forte do que apenas o fato de ambos usarem campos magnéticos. Por que o Grande Colisor de Hádrons é tão… qual é a palavra… Grande? É porque loops maiores podem manter partículas carregadas mais rápidas. O raio de giro de uma partícula em um campo magnético é chamado de raio de Larmor — ou raio de ciclotron ou raio de síncrotron — é a mesma coisa. Esse raio aumenta com a velocidade da partícula e diminui com a força do campo magnético.

Os remanescentes de supernova têm campos magnéticos não muito diferentes dos da Terra — realmente fracos em comparação com um acelerador de partículas típico. Mas eles ainda podem acelerar partículas a uma grande fração da velocidade da luz. A combinação de campos fracos e altas velocidades requer um raio de Larmor extremamente grande. E assim, para que os remanescentes de supernova sejam bons aceleradores de partículas — sem campos fortes, eles só precisam ser ridiculamente enormes. As regiões turbulentas podem se estender muitas vezes a largura do nosso sistema solar, enquanto os raios globais dessas conchas em expansão atingem vários anos-luz. Muito espaço para os raios cósmicos saltarem até energias extremas.

As supernovas podem energizar um próton até 10^17 elétron-volts. Um núcleo de ferro acelerado por supernova pode atingir cerca de 10 vezes essa energia. Mas a energia máxima de uma partícula acelerada por supernova ainda é cerca de 100 vezes menor que a dos raios cósmicos de maior energia. Então, de onde vêm os demais?

Não é tão fácil dizer de onde vem qualquer raio cósmico, pois geralmente não os vemos diretamente. Eles tendem a colidir com moléculas na alta atmosfera e enviam chuvas de partículas em direção ao solo. Mas, coletando essas partículas, podemos ter uma noção aproximada da origem de um raio cósmico.

O Observatório Pierre Auger é um gigantesco detector de raios cósmicos que se estende por 3000 quilômetros quadrados no oeste da Argentina. Ele descobriu que as origens dos raios cósmicos de altíssima energia estão espalhadas pelo céu. Se eles viessem de fontes dentro da Via Láctea, então esperaríamos uma concentração no plano do disco da Via Láctea. Não podemos ver exatamente de onde essas partículas estão vindo, no entanto, sua origem parece estar correlacionada com a estrutura em grande escala do universo. Provavelmente estão vindo de outras galáxias.

Existem muitas origens potenciais para os raios cósmicos de mais alta energia — talvez nos campos magnéticos extremos ao redor de magnetars ou em torno dos buracos negros supermassivos nos núcleos galácticos ativos. Esses aceleradores de partículas cósmicos se parecem um pouco mais com aceleradores de síncrotron tradicionais como o LHC. Mas também há uma forte possibilidade de que esses raios cósmicos também venham de versões ampliadas da onda de choque de supernova. Choques são observados em toda parte no universo, e em todas as escalas. Enormes ondas de choque resultam de colisões entre galáxias, das mais extremas explosões estelares como hipernovas ou explosões de raios gama, e dos jatos produzidos pelos núcleos galácticos ativos.

Este último é especialmente promissor. Quando um buraco negro supermassivo magnetizado em alimentação envia jatos de material perfurando suas galáxias circundantes, ondas de choque são inevitáveis, e o mecanismo de Fermi nos dará raios cósmicos. E quando esses jatos perfuram o meio intergaláctico além da galáxia, eles podem se expandir em enormes lóbulos de plasma difuso e campo magnético. Embora os campos magnéticos sejam fracos nesses lóbulos, eles se estendem por centenas de milhares de anos-luz, e assim são capazes de acelerar raios cósmicos às energias mais altas possíveis.

Levou um passeio de balão e um século de ciência para termos certeza de que estrelas em explosão estão bombardeando a Terra com raios cósmicos. Vai demorar um pouco mais para entender completamente as partículas mais energéticas. Quer elas venham de magnetars ou buracos negros supermassivos ou ondas de choque magnetizadas em escala galáctica, a busca agora é pelos maiores aceleradores de partículas em todo o espaço-tempo.