Terzan 5 e os raios cósmicos: medindo a mudança de direção nos campos magnéticos interestelares

Quando eu e os meus colegas começámos a investigar um enigma cósmico com mais de um século, acabámos por encontrar um laboratório celeste inesperado em Terzan 5, um aglomerado estelar extremamente denso que, neste momento, atravessa a nossa galáxia a uma velocidade estonteante.

Essa peculiaridade astronómica abriu uma oportunidade rara para observar o comportamento dos raios cósmicos - partículas de altíssima energia cujas trajetórias imprevisíveis no espaço intrigam astrónomos desde que foram detetadas em 1912.

Ao analisar a radiação associada aos raios cósmicos produzidos em Terzan 5, alcançámos um resultado inédito: conseguimos medir a rapidez com que essas partículas mudam de direção por causa de variações nos campos magnéticos interestelares. O nosso estudo foi publicado hoje na revista Astronomia da Natureza.

Radiação veloz vinda do espaço

A existência de raios cósmicos era algo que ninguém imaginava. Quando a radioatividade foi identificada pela primeira vez, na década de 1890, os cientistas acreditavam que todas as fontes de radiação estavam na Terra.

Mas, em 1912, o físico austro-americano Victor Hess mediu o nível de radiação ambiente num balão de grande altitude e verificou que era muito mais elevado do que ao nível do solo - inclusive durante um eclipse, quando o Sol estava encoberto. A conclusão era inevitável: aquela radiação precisava ter origem fora da Terra.

Hoje sabemos que a radiação misteriosa observada por Hess corresponde aos raios cósmicos: núcleos atómicos e partículas elementares, como protões e eletrões, que por algum mecanismo foram acelerados até quase a velocidade da luz.

Essas partículas atravessam o espaço interestelar a grande velocidade e, devido às energias extremamente altas, uma pequena fração consegue penetrar nas camadas superiores da atmosfera - exatamente como Hess percebeu.

Ainda assim, é difícil apontar a sua origem. Como os raios cósmicos têm carga elétrica, a direção do seu movimento muda sempre que encontram um campo magnético.

A imagem “chiada” do universo dos raios cósmicos

O desvio causado por campos magnéticos é o mesmo princípio usado na tecnologia dos antigos monitores e televisores de tubo de raios catódicos (CRT), em que o efeito direciona eletrões para o ecrã e forma a imagem.

O espaço interestelar está repleto de campos magnéticos, e esses campos estão em constante variação. O resultado é que os raios cósmicos acabam desviados ao acaso - como se fossem num CRT avariado de uma televisão antiga que só exibe “chuviscos”.

Assim, em vez de chegarem até nós em linha reta a partir da fonte, como a luz faz, os raios cósmicos acabam por se espalhar quase uniformemente por toda a galáxia. Daqui da Terra, observamo-los a chegar praticamente de todas as direções do céu com intensidades semelhantes.

Apesar de entendermos esse panorama geral, faltam a maioria dos detalhes. A distribuição quase uniforme pelo céu indica que as direções dos raios cósmicos mudam de forma aleatória, mas não temos uma boa forma de medir quão depressa esse processo ocorre.

Também não compreendemos qual é a origem final das flutuações magnéticas. Ou, pelo menos, não compreendíamos - até agora.

Terzan 5 e os raios gama deslocados

É aqui que entra Terzan 5. Este aglomerado é um gerador abundante de raios cósmicos porque abriga uma grande população de estrelas que rodam muito rapidamente, são incrivelmente densas e fortemente magnetizadas - os chamados pulsares de milissegundos - capazes de acelerar raios cósmicos a velocidades extremamente altas.

Esses raios cósmicos não chegam até à Terra, devido às flutuações dos campos magnéticos. Contudo, há uma assinatura clara da sua presença: parte deles colide com fotões da luz estelar e converte essa energia em partículas de alta energia sem carga chamadas raios gama.

Os raios gama seguem na mesma direção do raio cósmico que os gerou, mas, ao contrário dos raios cósmicos, não sofrem desvio por campos magnéticos. Conseguem, portanto, viajar em linha reta e alcançar a Terra.

Por esse motivo, é comum detetarmos raios gama vindos de fontes muito potentes de raios cósmicos. Em Terzan 5, porém, por alguma razão, os raios gama não se alinham exatamente com as posições das estrelas. Em vez disso, aparentam vir de uma região a cerca de 30 anos-luz de distância, onde não há uma fonte evidente.

Um “cometa” em escala galáctica

Esse afastamento foi uma curiosidade sem explicação desde que foi observado em 2011 - até propormos uma interpretação.

Hoje, Terzan 5 está relativamente próximo do centro da nossa galáxia, mas nem sempre é assim. Na realidade, o aglomerado percorre uma órbita muito ampla, que o mantém longe do plano galáctico na maior parte do tempo.

O que acontece é que, neste momento, ele está a atravessar a galáxia em mergulho. Como esse movimento ocorre a centenas de quilómetros por segundo, o aglomerado varre e “acumula” em torno de si uma capa de campos magnéticos, formando algo semelhante à cauda de um cometa a atravessar o vento solar.

Os raios cósmicos lançados pelo aglomerado, no início, deslocam-se ao longo dessa cauda. Não observamos os raios gama produzidos por esses raios cósmicos porque a cauda não está apontada diretamente para nós - esses raios gama ficam colimados ao longo da cauda e seguem na direção oposta.

É aqui que as flutuações magnéticas passam a ser decisivas. Se os raios cósmicos permanecessem perfeitamente alinhados com a cauda, nunca os detetaríamos; mas, graças às variações do campo magnético, as suas direções começam a mudar.

Com o tempo, parte deles passa a apontar para nós, gerando raios gama que conseguimos ver. Esse processo leva aproximadamente 30 anos, e é por isso que os raios gama não parecem vir do próprio aglomerado.

Quando um número suficiente desses raios cósmicos já está direcionado para a Terra a ponto de produzir raios gama visíveis, eles já percorreram 30 anos-luz ao longo da cauda magnética do aglomerado.

Raios cósmicos e campos magnéticos interestelares

Assim, graças a Terzan 5, pela primeira vez conseguimos medir quanto tempo as flutuações magnéticas levam para alterar as direções dos raios cósmicos. Com essa informação, torna-se possível testar teorias sobre o funcionamento dos campos magnéticos interestelares e sobre a origem das suas flutuações.

Isso dá um grande passo rumo à compreensão da radiação misteriosa vinda do espaço que Hess descobriu há mais de 100 anos.

Mark Krumholz, Professor, Escola de Pesquisa de Astronomia e Astrofísica, Universidade Nacional Australiana

Este artigo foi republicado a partir de A Conversa sob uma licença Comuns Criativos. Leia o artigo original.

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