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Porque Estão Estas Misteriosas Partículas a Colidir com a Terra?

Novas observações detetam uma abundância de partículas de antimatéria na nossa atmosfera. terça-feira, 9 de janeiro de 2018

Por Nadia Drake
Estes 300 tanques de água compõem o High Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, no México, que ajudou os astrónomos a estudar a origem das partículas de antimatéria que têm vindo a colidir com a Terra.

Um mecanismo cósmico está a despoletar a colisão de estranhas partículas com a Terra. De um estudo publicado recentemente na revista Science, concluiu-se que descobrir o que está na origem deste fenómeno não vai ser fácil.

Em 2008, um instrumento espacial chamado PAMELA detetou uma abundância de partículas conhecidas como positrões na atmosfera terrestre. Estas partículas constituem a antimatéria, uma substância de natureza oposta à matéria. Quando um positrão encontra o seu oposto, os dois aniquilam-se, libertando energia que muitas vezes incluiu raios gama, que os cientistas conseguem observar.

Descobrir a origem deste misterioso excesso de positrões é excitante, porque ajudará os cientistas a compreenderem melhor os fenómenos cósmicos relacionados com altas quantidades de energia, que, por sua vez, poderá ajudar a desvendar alguns dos maiores mistérios da física.

Durante algum tempo, os cientistas estiveram convencidos de que estas partículas eram provenientes de pulsares relativamente próximos do sistema solar, isto é, restos mortais de estrelas de grandes dimensões a rodar a alta-velocidade. No entanto, de acordo com a equipa responsável pelo estudo, os resultados do mesmo ilibam o até então suspeito par de pulsares a menos de mil anos-luz de distância.

Por sua vez, os investigadores acreditam estar perante algo mais exótico: uma estranha substância conhecida como matéria escura.

“Quando me debrucei sobre este assunto, estava mesmo convencido de que as partículas vinham dos pulsares”, afirma Rubén López Coto, do Max Planck Institute for Nuclear Physics. “Mas estes dois pulsares não poderiam gerar positrões suficientes ao ponto de produzirem tamanho excesso de partículas.”

Contudo, esta posição não deixa de gerar alguma discórdia entre astrónomos e físicos, sendo que alguns não estão dispostos a abandonar a hipótese dos pulsares. Dan Hooper, do Fermi National Accelerator Laboratory, afirma que os dados recolhidos pelos investigadores são sólidos, o problema reside, sim, na sua interpretação.

“Estou absolutamente convencido de que estes pulsares têm contribuído significativamente para o excesso de positrões verificado, podendo inclusivamente ser a principal fonte dos mesmos”, afirma Hooper.

DINÂMICAS DA ANTIMATÉRIA

Os positrões são o oposto, em antimatéria, dos eletrões, que por sua vez são uma parte fundamental da matéria com que interagimos. Aqui na Terra, muito dificilmente observamos positrões na natureza. No espaço, por outro lado, nos ambientes hostis em torno das estrelas que se aproximam da morte e das estrelas mortas, eletrões e positrões são produzidos aos pares. Por vezes, essas partículas são projetadas para o cosmos, e desviadas por campos magnéticos até embaterem em algo.

Os pulsares, por exemplo, funcionam como um acelerador de partículas rotativo. Rodando, por vezes, a velocidades superiores a 700 rotações por segundo, agitam o que os rodeia e esmagam partículas, que colidem umas com as outras; isto incluiu eletrões e positrões que são apanhados no caos do pulsar.

Se esses positrões tiverem energia e atingirem velocidade suficientes, conseguem escapar do ambiente do pulsar, ficando à deriva pelo cosmos e acabando, por vezes, por ir ao encontro da órbita terrestre – pelo menos, é esta uma das hipóteses propostas pelos cientistas para justificar o excesso de positrões na órbita terrestre.  Também pode acontecer que colidam com fotões, produzindo raios gama, que os cientistas conseguem observar a partir da Terra sem grande dificuldade.

O novo capítulo desta história é adiantado pelo High Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory (HAWC). Composto por 300 tanques de água, o observatório situa-se entre dois vulcões, no Parque Nacional Pico de Orizaba, México. Quando as partículas de energia extremamente elevada, que viajam pelo cosmos, colidem com os tanques, o brilho que geram assume caraterísticas muito distintas, indicando a sua proveniência.

Desde 2015, o HAWK recolhe estas partículas e estuda as suas origens cósmicas. Durante 17 meses, observou emissões de raios gama de alta energia, projetados em direção à Terra por dois pulsares, Geminga e PSR B0656+14 (conhecida por Monogem).

Estudando os raios gama, a equipa do HAWC conseguiu calcular a velocidade a que estas partículas se movem nas regiões junto a Geminga e Monogem. Verificou-se que, junto a estes pulsares, os positrões não se movem a velocidades suficientemente altas para conseguirem chegar à Terra, explicou-nos López.

Isto pode significar, sugere López e a sua equipa, que o meio interestelar por onde estas partículas se movem não é tão suave como se pensava, o que impede que as partículas se desloquem com tanta facilidade como se julgava.

Se assim for, temos um problema: os cientistas acreditam que Geminga e Monogem produzem uma quantidade considerável dos positrões que atingem a Terra; no entanto, estes pulsares não são suficientemente velhos nem estão suficientemente perto para que esta hipótese faça sentido. Por isso, se a descartarmos, temos de considerar cenários que envolvem “outros pulsares e outros tipos de aceleradores cósmicos como microquasares e remanescentes de supernovas, ou o aniquilamento ou decomposição de partículas de matéria escura.”

UM DEBATE ACESO

Hooper, cujo trabalho tem sido nuclear na responsabilização dos pulsares pelos positrões que se intrometem na atmosfera terrestre, não está pronto para se dar por derrotado. Não crê que a interpretação de outros cientistas, a respeito das caraterísticas do meio interestelar por onde têm de viajar os positrões estejam corretas.

Observações anteriores, realizadas com o auxílio de PAMELA e um instrumento acoplado à Estação Espacial Internacional, sustentam a ideia de que positrões e outras partículas gravitam pelo espaço à volta da Terra.

Apesar de os estudos considerarem outras explicações – incluindo remanescentes de supernova e partículas de matéria escura –, nenhuma delas parece fazer muito sentido. As remanescentes de supernova podem ser descredibilizadas, afirma Hooper, pelo mesmo motivo que aquela equipa de investigadores descartou os pulsares.

“Se o meio interestelar é mesmo tão impenetrável para estas partículas como eles dizem, e Geminga e Monogem estão ambas a cerca de 250 parsecs, as supernovas mais próximas estão, pelo menos, à mesma distância, por isso, nesse caso, verificar-se-iam exatamente os mesmos problemas.”

Tracy Slatyer, física teórica do MIT, também não crê na hipótese das partículas de matéria escura. Quando se detetou o excesso de positrões, os cientistas pensaram que podia ser um vestígio de partículas de matéria escura a aniquilarem-se umas às outras, produzindo matéria e antimatéria.

Acredita-se que a matéria escura constitui a esmagadora maioria da massa do universo. Se assim for, se a hipótese da matéria escura fosse fiável, deveríamos conseguir observar vestígios do fenómeno por toda a parte, e isso não acontece, disse-nos Slatyer.

“A minha aposta pessoal é que não se trata de aniquilamento de matéria escura. Mas se alguém viesse do futuro numa máquina do tempo, e me dissesse que era mesmo esse o caso, eu ficaria muito surpreendida, mas aceitaria essa hipótese”, afirma Slatyer,

“Partindo do princípio de que acreditaria na história da máquina do tempo.”

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