Acelerador cósmico explica ondas de rádio misteriosas

Previamente aceleradas por buracos negros, as partículas são reaceleradas pelas ondas de choque resultantes da colisão. O fenômeno ajuda a entender a estrutura do Universo em larga escala.[Imagem: Reinout J. van Weeren et al. - 10.1038/s41550-016-0005]

Dupla aceleração

Astrônomos observaram um acelerador de partículas cósmico de dimensões colossais e descobriram que ele explica ondas de rádio que vêm sendo captadas há algum tempo, mas que ninguém sabia de onde vinham. O fenômeno resulta da aceleração de uma nuvem gasosa por buraco negro e de sua reaceleração pelas ondas de choque decorrentes da fusão de dois aglomerados de galáxias. Essa dupla aceleração foi observada e descrita por uma colaboração internacional com a participação de três brasileiros: Felipe Andrade Santos, Vinicius Moris Placco e Rafael Miloni Santucci.

Acelerador de partículas cósmico

Os aglomerados de galáxias são formados por acréscimo gravitacional de matéria e por fusões com outros aglomerados e grupos de galáxias. Nessas fusões, cujas velocidades geralmente superam a velocidade de propagação do som no meio, são geradas ondas de choque que se propagam pelo aglomerado por centenas de milhões de anos. São elas que estão reacelerando as partículas já previamente aceleradas nos centros das galáxias, onde se encontram buracos negros supermassivos.

A colisão investigada no estudo é a dos aglomerados Abell 3411 e Abell 3412, localizados a cerca de 2 bilhões de anos-luz da Terra. Ambos são enormes, com milhões de anos-luz de extensão. E muito massivos, cada qual com aproximadamente 1 quatrilhão de vezes a massa do Sol. Mas o gás de partículas que compõe o aglomerado é extremamente rarefeito, mais rarefeito do que qualquer vácuo produzido em laboratório na Terra, apresentando densidade da ordem de 10-3 a 10-2 partículas por centímetro cúbico.
"Durante a formação do aglomerado, colisões entre partículas do gás que compõe o aglomerado fazem com que a temperatura do meio alcance o patamar de 100 milhões de graus Celsius", informou Felipe.

Devido à altíssima temperatura do gás, a velocidade de propagação do som no meio é da ordem de mil quilômetros por segundo - quase 3 mil vezes maior do que a velocidade de propagação do som na atmosfera terrestre (343 metros por segundo, ao nível do mar e na temperatura de 20 graus Celsius). Mas a velocidade de colisão dos aglomerados pode chegar a ser duas a três vezes maior, de 2000 a 3000 km/s. E é isso que produz as ondas de choque que reaceleram as partículas.

Ondas de rádio misteriosas

A reaceleração de partículas previamente aceleradas faz com que passem a emitir radiação eletromagnética na banda de frequências do rádio. Essa emissão em rádio, que a equipe acredita ter desvendado, era um mistério que vinha desafiando os astrônomos há cerca de duas décadas.

"A primeira detecção de emissões em rádio provenientes das regiões onde ocorrem os choques de aglomerados foi feita há quase 20 anos. Porém, não se sabia explicar como os elétrons eram acelerados ao ponto de emitirem radiação nessa faixa de frequência. Foi tentado um modelo no qual o gás era comprimido pelo choque, fazendo com que as partículas ganhassem energia. Mas as contas não batiam, pois as partículas precisariam ganhar muito mais energia por meio do choque do que era esperado a partir das observações astronômicas.

"Trabalhamos com a hipótese da existência prévia de uma população de elétrons de alta energia, que precisariam apenas de um 'empurrão' final para emitirem em rádio. E isso foi confirmado por nosso estudo. As observações do choque desse par de aglomerados mostraram que a emissão em rádio estava conectada com o jato da galáxia, tornando claro que os elétrons haviam sido inicialmente acelerados pelo buraco negro, que produzira o jato, e, depois, reacelerados pela onda de choque.
"Analisando em detalhes a emissão em rádio, percebemos que os elétrons perdiam energia ao longo do jato e voltavam a ganhar energia na região do choque. O diferencial de nosso trabalho foi encontrar, pela primeira vez, a conexão física entre os dois fenômenos. Com a dupla aceleração, as partículas se tornam um milhão de vezes mais energéticas, passando do patamar do quilo-elétron-volt (keV) para o patamar do giga-elétron-volt (GeV)", explicou Felipe.