Raios cósmicos são partículas de alta energia que se movem pelo espaço a velocidades próximas à da luz. Eles são compostos principalmente por prótons, mas também incluem núcleos de átomos e elétrons. Essas partículas podem se originar de várias fontes, tanto dentro quanto fora da nossa galáxia. A natureza e a origem das partículas de mais alta energia ainda é um dos grandes mistérios da astrofísica moderna.
Os raios cósmicos (RC) são partículas energéticas vindas do meio interestelar que chegam à Terra com altas velocidades (energias entre 10⁹ eV e 10²⁰ eV) e que, ao interagirem com moléculas de ar, geralmente composta por nitrogênio e/ou oxigênio presentes na atmosfera terrestre, geram uma série de partículas secundárias.
A composição dos raios cósmicos a baixas energias (< 10¹² eV- equivalente a 1 Trilhão de eV) é dominada por núcleos de átomos de hidrogênio e, em menores quantidades, partículas alfa, núcleos de elementos mais pesados, elétrons e pósitrons, além de outras partículas subatômicas. A altas energias, a composição dos raios cósmicos é desconhecida. Embora se creia que o Sol seja a principal fonte de partículas com energias acima de cerca de 10¹⁰ eV. Acredita-se que todas as partículas com energias abaixo de 10¹⁸ eV têm origem no interior da nossa galáxia.
Antes de entrar na atmosfera, os raios cósmicos mais energéticos, ou seja Raios Cósmicos de UIltra-Altas Energias (RCUAEs, partículas com energias acima de 10¹⁸ eV) exploram uma variedade de ambientes astrofísicos e ao atravessar essas regiões, a trajetória dessas partículas é desviada pelos campos magnéticos cósmicos. Em relação à Via Láctea, a propagação é bem reproduzida. Por outro lado, em nível extragaláctico existem diversas incertezas acerca da origem, distribuição, natureza e medidas dos campos magnéticos extragalácticos. Nesse contexto, temos apenas “toy models”, modelos simplistas para explicar um mecanismo de forma concisa, que fornecem uma ideia quantitativa dos efeitos desses campos nas trajetórias dos RCUAEs. Por outro lado, ao longo da viagem, conforme interagem com obstáculos, os RCUAEs liberam raios gama e neutrinos. Esses, sim, possuem uma trajetória retilínea – então podem fornecer informações valiosas sobre o rastro dos RC originários.
A interação de um raio cósmico de altíssima energia com um núcleo de ar da atmosfera, a aproximadamente 40 km de altitude, inicia um processo de sucessivas novas interações que produzem cerca de bilhões de partículas secundárias, originando assim um Chuveiro Aéreo Extenso (CAE). Esse chuveiro assemelha-se a um disco, no no centro e com bordas grossas, que se estende por centenas de metros movendo-se pela atmosfera com uma velocidade muito próxima à da luz. É caracterizado como raio cósmico primário a radiação (prótons ou núcleos mais pesados).
Ilustração de um Raio cósmico de energia ultra-elevada.
Créditos da Imagem: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige.
Desde que foram descobertos em 1912 por Victor Hess, os raios cósmicos têm sido objeto de intensa investigação. O fluxo observado dos raios cósmicos decresce como função de sua energia, por exemplo, para partículas de 10¹² eV, temos 1 evento para cada m² por segundo, enquanto que para energias acima de 10²⁰eV, temos temos 1 evento para km² por século!
Em novembro de 2007, a Colaboração Pierre Auger divulgou a existência de uma correlação entre a direção de chegada de seus eventos mais energéticos e posições de galáxias com núcleo ativo, estabelecendo que as direções de chegada de RCUAEs não são isotrópicas. Uma característica importante considerada nessa descoberta é o fato de que os modelos teóricos para a propagação de RCUAEs predizem que, para energias acima de 10¹⁹ eV, as partículas não sofrem grande influência dos campos magnéticos no seu trajeto desde a fonte até a Terra.
A astrofísica Rita de Cassia dos Anjos, em sua pesquisa, quantifica os ganhos e perdas de energia dos raios cósmicos para reconstituir seu caminho e encontrar a sua provável fonte. Tem a hipótese de que esses raios partem de galáxias turbulentas, em que há intensa formação de estrelas.
A astrofísica Eliade Lima, em seu mestrado na UFABC, realizou a simulação da propagação dos RCUAEs, visando encontrar os desvios sofridos por essas partículas nos campos magnéticos da Galáxia e nos campos magnéticos extragalácticos.
