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O CALorimetric Electron Telescope (CALET), a bordo do Kibo’s Exposed Facility (EF) da Estação Espacial Internacional, está em uma missão para medir o fluxo de partículas de raios cósmicos desde 2015. Em um novo estudo, uma equipe internacional de pesquisadores relata o resultados de uma medição direta do espectro de hélio de raios cósmicos usando os dados coletados pelo CALET. Em contraste com a lei de potência única que anteriormente se acreditava existir, a análise dos dados de fluxo coletados entre 2015 e 2022 revela que a distribuição de energia dos núcleos de hélio de raios cósmicos segue uma Lei de Potência Dupla Quebrada.
Grande parte de nossa compreensão do Universo e seus fenômenos misteriosos é baseada em interpretações teóricas. Para aprofundar a compreensão de objetos distantes e fenômenos energéticos, os astrônomos estão olhando para os raios cósmicos, que são partículas carregadas de alta energia compostas de prótons, elétrons, núcleos atômicos e outras partículas subatômicas. Tais estudos revelaram que os raios cósmicos contêm todos os elementos conhecidos por nós na tabela periódica, sugerindo que esses elementos se originam de estrelas e eventos de alta energia, como supernovas. Além disso, devido à sua natureza carregada, o caminho dos raios cósmicos através do espaço é influenciado pelos campos magnéticos dos fenômenos e objetos interestelares.
Observações detalhadas de raios cósmicos podem, portanto, não apenas esclarecer as origens dessas partículas, mas também decodificar a existência de objetos e fenômenos de alta energia, como remanescentes de supernovas, pulsares e até matéria escura. Em um esforço para observar melhor as radiações de alta energia, o Japão, a Itália e os EUA estabeleceram de forma colaborativa o CALorimetric Electron Telescope (CALET) na Estação Espacial Internacional em 2015.
Em 2018, observações do espectro de prótons de raios cósmicos de 50 GeV a 10 TeV revelaram que o fluxo de partículas de prótons em altas energias foi significativamente maior do que o esperado. Esses resultados desviaram-se dos modelos convencionais de aceleração e propagação de raios cósmicos que assumem uma “distribuição de lei de potência única”, em que o número de partículas diminui com o aumento da energia.
Consequentemente, em um estudo publicado em 2022, a equipe CALET, incluindo pesquisadores da Universidade de Waseda, encontrou prótons de raios cósmicos na faixa de energia de 50 GeV a 60 TeV para seguir uma “Lei de dupla potência quebrada”. Esta lei assume que o número de partículas de alta energia aumenta inicialmente até 10 TeV (conhecido como endurecimento espectral) e depois diminui com o aumento da energia (conhecido como amolecimento espectral).
Ampliando ainda mais essas observações, a equipe agora encontrou tendências semelhantes de endurecimento e abrandamento espectral no espectro de hélio de raios cósmicos capturado em uma ampla faixa de energia, de 40 GeV a 250 TeV.
O estudo, publicado na revista Cartas de revisão física em 27 de abril de 2023, foi liderado pelo professor associado Kazuyoshi Kobayashi da Waseda University, Japão, juntamente com contribuições do professor emérito Shoji Torii, pesquisador principal do projeto CALET, também afiliado à Waseda University, e do assistente de pesquisa Paolo Brogi da University of Siena na Itália.
“A CALET observou com sucesso a estrutura espectral de energia do hélio de raios cósmicos, especialmente o endurecimento espectral a partir de cerca de 1,3 TeV e a tendência de amolecimento a partir de cerca de 30 TeV”, disse Kobayashi.
Essas observações são baseadas em dados coletados pelo CALET a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS) entre 2015 e 2022. Representando a maior faixa de energia até hoje para partículas de núcleos de hélio cósmico, essas observações fornecem evidências adicionais para o desvio do fluxo de partículas da potência única -modelo de lei. Os pesquisadores notaram que o desvio da distribuição da lei de potência esperada estava a mais de oito desvios padrão da média, indicando uma probabilidade muito baixa desse desvio ocorrer por acaso.
Notavelmente, o endurecimento espectral inicial observado nesses dados sugere que pode haver fontes ou mecanismos únicos responsáveis por acelerar e propagar os núcleos de hélio para altas energias. A descoberta dessas características espectrais também é apoiada por observações recentes do Dark Matter Particle Explorer e questiona nossa compreensão atual da origem e natureza dos raios cósmicos.
“Esses resultados contribuiriam significativamente para a compreensão da aceleração dos raios cósmicos no remanescente da supernova e no mecanismo de propagação”, diz Torii.
Essas descobertas, sem dúvida, aumentam nossa compreensão do Universo. Mesmo enquanto nos preparamos para missões tripuladas à Lua e a Marte, a distribuição de energia das partículas de raios cósmicos também pode fornecer mais informações sobre o ambiente de radiação no espaço e seus efeitos nos astronautas.
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