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Descobertos em 1912, os raios cósmicos foram estudados extensivamente e nossa compreensão atual deles é compilada no que é chamado de Modelo Padrão. Recentemente, essa compreensão foi desafiada pela detecção de estruturas espectrais inesperadas no espectro de energia de prótons de raios cósmicos. Agora, os cientistas levam isso adiante com altas estatísticas e medições de baixa incerteza desses prótons em uma faixa de energia mais ampla usando o CALorimetric Electron Telescope, confirmando a presença de tais estruturas.
Os raios cósmicos constituem prótons de alta energia e núcleos atômicos que se originam de estrelas (tanto dentro de nossa galáxia quanto de outras galáxias) e são acelerados por supernovas e outros objetos astrofísicos de alta energia. Nossa compreensão atual do espectro de energia dos raios cósmicos galácticos sugere que ele segue uma dependência da lei de potência, em que o índice espectral de prótons detectado dentro de uma certa faixa de energia diminui pela lei de potência à medida que a energia aumenta. Mas observações recentes feitas usando espectrômetros magnéticos para níveis de baixa energia e calorímetros para níveis de alta energia sugeriram um desvio dessa variação da lei de potência, com o índice espectral de prótons se tornando maior em torno de uma energia de algumas centenas de GeV em energias de até 10 TeV . Após esse “endurecimento espectral”, caracterizado por um valor absoluto menor do índice espectral, um “amolecimento espectral” foi detectado acima de 10 TeV usando o CALorimetric Electron Telescope (CALET), um telescópio espacial instalado na Estação Espacial Internacional. No entanto, melhores medições com alta estatística e baixa incerteza precisam ser realizadas em um amplo espectro de energia para a confirmação dessas estruturas espectrais.
Foi exatamente isso que uma equipe de pesquisadores internacionais liderada pelo professor associado Kazuyoshi Kobayashi, da Universidade Waseda, no Japão, se propôs a fazer. “Com os dados coletados pelo CALET ao longo de aproximadamente 6,2 anos, apresentamos uma estrutura espectral detalhada dos prótons de raios cósmicos. A novidade de nossos dados está na medição de alta estatística em uma faixa de energia mais ampla de 50 GeV a 60 TeV, ” elabora Kobayashi. Os resultados de seu estudo, que incluiu contribuições do Professor Emérito Shoji Torii da Universidade Waseda (PI, ou Investigador Principal, do projeto CALET) e do Professor Pier Simone Marrocchesi da Universidade de Siena, na Itália, foram publicados na revista Physical Review Letters em 1 setembro de 2022.
As novas observações confirmaram a presença de endurecimento e amolecimento espectral abaixo e acima de 10 TeV, sugerindo que o espectro de energia do próton não é consistente com uma única variação da lei de potência para toda a faixa. Além disso, o amolecimento espectral a partir de cerca de 10 TeV é consistente com uma medição anterior relatada pelo telescópio espacial Dark Matter Particle Explorer (DAMPE). Curiosamente, a transição por amolecimento espectral foi mais nítida do que por endurecimento espectral.
As variações e a incerteza nos novos dados CALET foram controladas usando simulações de Monte Carlo. As estatísticas foram melhoradas por um fator de cerca de 2,2 e o recurso de endurecimento espectral foi confirmado com uma significância maior de mais de 20 sigmas.
Falando sobre o significado desta pesquisa, Kobayashi observa: “Este resultado contribuirá significativamente para nossa compreensão da aceleração dos raios cósmicos por supernovas e o mecanismo de propagação dos raios cósmicos. O próximo passo seria estender nossa medição dos espectros de prótons para ainda mais alto energias com incertezas sistemáticas reduzidas. Isso deve ser acompanhado por uma mudança na compreensão teórica para acomodar as novas observações.”
Eventualmente, não se trata apenas de raios cósmicos. Em vez disso, o estudo continua mostrando o quanto ainda não entendemos sobre o nosso Universo, e que vale a pena refletir sobre isso.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade Waseda. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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