De onde viemos? Maior observatório de raios cósmicos busca respostas

Construído com um investimento equivalente a mais de R$ 272 milhões, o Observatório Pierre Auger é considerado o maior do mundo na observação e análise dos raios cósmicos de alta energia que chegam à Terra vindos de fora da nossa Via Láctea.

Se você está se perguntando a razão de gastar tanto dinheiro para estudar raios que vêm de tão longe, a resposta está no fato de que eles podem nos ajudar desvendar os segredos do Universo — como de onde viemos e para onde vamos.

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Localizado na cidade de Malargüe, a 370 quilômetros de Mendoza (Argentina), o observatório tem a capacidade de captar a queda de cerca de 3 mil partículas desse tipo por ano, uma para cada quilômetro quadrado de área do centro de observação e estudo — as dependências do Pierre Auger são tão amplas que caberiam duas cidades de São Paulo.

Esses raios cósmicos de alta energia podem ser oriundos de berçários de estrelas ou núcleos galácticos ativos, distantes 20 milhões a 100 milhões de anos-luz da Terra.

"Quando se fala de fonte (de emissão), essa é a grande pergunta [dos pesquisadores] da área. Qual é a fonte desses raios, quais estruturas podem gerar energias tão altas?", explica a professora da UFPR (Universidade Federal do Paraná) Rita de Cássia dos Anjos, que no ano passado teve os seus estudos sobre raios cósmicos reconhecidos pelo prêmio "Para Mulheres na Ciência 2020", da L'Oréal, Unesco Brasil e ABC (Academia Brasileira de Ciências).

Os cientistas já sabem que os raios cósmicos são tão potentes que têm a capacidade de afetar o código genético de seres vivos, tanto que muitos pesquisadores acreditam que eles podem ter tido impacto na evolução da vida na Terra. Novas pesquisas e a chegada de novos equipamentos para o Observatório Pierre Auger devem ajudá-los a encontrar as respostas que eles buscam.

Partículas subatômicas cheias de energia

Ao longo dos 21 anos de existência do observatório, raios cósmicos têm sido estudados por profissionais de 20 diferentes países, incluindo o Brasil. A física Carola Dobrigkeit Chinellato, da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas), é quem lidera a participação brasileira no Pierre Auger.

Em entrevista a Tilt, Chinellato explicou que, em 90% dos casos, os raios cósmicos são formados por prótons de hidrogênio, mas eles também possuem na sua composição elementos mais pesados como hélio, nitrogênio, carbono, oxigênio, silício e ferro.

Eles são expelidos da explosão de estrelas e de galáxias de núcleo ativo com grande força. Por isso eles possuem altos níveis de energia, que varia de um bilhão de elétrons-volts a um bilhão de trilhões de elétrons-volts.

Para ficar mais claro, Chinellato comparou a energia desses raios com a energia cinética (ou seja, de um objeto em movimento) de uma bola de tênis sacada pelo jogador espanhol Rafael Nadal — que pode chegar a 216 quilômetros por hora. Só que, em vez de pesar os 56 gramas, como uma bola de tênis, essas partículas cósmicas são subatômicas (um próton tem peso de 0,00000000000000000000000000167 kg). Mesmo assim, elas têm energia macroscópica, ou seja, que pode ser percebida a olho nu.

Alguns desses raios cósmicos têm energias superiores às alcançadas no Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo, instalado na Suíça. O LHC acelera prótons a altas velocidades, fazendo com que eles se choquem, criando novas partículas que ajudam a entender a criação do Universo.

Como os raios são captados pelo observatório?

A queda dessas partículas de alta energia é registrada pelo observatório Pierre Auger em duas etapas. A primeira acontece quando elas cruzam a nossa atmosfera. Ao se chocar com o nitrogênio presente no ar, acabam não só ganhando mais energia como gerando outras partículas, tais como elétrons e múons (semelhante aos elétrons, mas com menos tempo de vida). Nesse processo, um "chuveiro" de luz ultravioleta é gerado e é essa luz que é captada pelos 24 telescópios do observatório.

Os telescópios só são usados em noites de intensa escuridade, para que seja possível captar o máximo de informação das radiações eletromagnéticas dessas emissões. Ou seja, noites de lua cheia, por exemplo, atrapalham esse tipo de medição.

A segunda etapa acontece quando essas novas partículas chegam à superfície. Elas caem sobre 1.660 tanques de água instalados nas dependências do observatório, cada um com 12 mil litros do líquido e três detectores de radiação ultravioleta. Ao entrar em contato com a água, os elétrons e múons geram mais luz ultravioleta, que, por sua vez, é captada por detectores instalados dentro dos tanques.

A luz ultravioleta captada é transformada em pulsos elétricos por placas fotomultiplicadoras. Essa informação abastece um imenso banco de dados mantido nos computadores do Pierre Auger.

Desde o dia 15 de fevereiro, essas informações estão disponíveis para consulta pública. É de posse delas que cientistas reconstroem o caminho da partícula original que causou os eventos na atmosfera, avaliando a sua energia e a direção de onde ela teria vindo no espaço profundo.

Ampliar para detectar mais e melhor

O observatório tem recebido novos investimentos para ampliar a sua capacidade de detecção de raios cósmicos. Na parte superior e inferior de cada tanque, por exemplo, estão sendo instalados dois novos tipos de detectores para captar a luz ultravioleta. "[Com as melhorias,] já estamos operando algumas horas a mais quando a Lua se põe e, até mesmo, durante o período de Lua nova", explica a cientista Carola Chinellato .

Também está prevista a instalação de antenas de rádio com o objetivo de também captar as radiações eletromagnéticas geradas na faixa de mega e gigahertz durante o choque dos raios cósmicos com a atmosfera. Assim, os eventos poderão ser estudados por múltiplos detectores em terra.

"Com isso, conseguiremos medir os raios cósmicos com os detectores no interior dos tanques, com os cintiladores sobre e sob os tanques, e com as antenas de rádio no topo de cada um deles. Com essas quatro medidas complementares, você consegue desembaralhar ainda melhor esses sinais", conclui Chinellato.