20.4: Raios cósmicos

objetivos de aprendizagem

Ao final desta seção, você poderá:

• Defina os raios cósmicos e descreva sua composição
• Explique por que é difícil estudar a origem dos raios cósmicos e as principais hipóteses atuais sobre de onde eles podem vir

Além do gás e da poeira, uma terceira classe de partículas, notável pelas altas velocidades com que viajam, é encontrada no espaço interestelar. Os raios cósmicos foram descobertos em 1911 por um físico austríaco, Victor Hess, que pilotou instrumentos simples a bordo de balões e mostrou que partículas de alta velocidade chegam do espaço à Terra (Figura\(\PageIndex{1}\)). O termo “raio cósmico” é enganador, o que implica que pode ser como um raio de luz, mas estamos presos ao nome. Definitivamente, são partículas e têm quase a mesma composição do gás interestelar comum. O comportamento deles, no entanto, é radicalmente diferente do gás que discutimos até agora.

Figura\(\PageIndex{1}\): Victor Hess (1883-1964). O pioneiro dos raios cósmicos Victor Hess retorna de um voo de balão de 1912 que atingiu uma altitude de 5,3 quilômetros. Foi nesses voos de balão que Hess descobriu os raios cósmicos.

A natureza dos raios cósmicos

Os raios cósmicos são principalmente núcleos e elétrons atômicos de alta velocidade. Velocidades iguais a 90% da velocidade da luz são típicas. Quase 90% dos raios cósmicos são núcleos de hidrogênio (prótons) despojados do elétron que o acompanha. O hélio e os núcleos mais pesados constituem cerca de 9% a mais. Cerca de 1% dos raios cósmicos têm massas iguais à massa do elétron, e 10 a 20% deles carregam carga positiva em vez da carga negativa que caracteriza os elétrons. Uma partícula carregada positivamente com a massa de um elétron é chamada de pósitron e é uma forma de antimatéria (discutimos a antimatéria em The Sun: A Nuclear Powerhouse).

As abundâncias de vários núcleos atômicos nos raios cósmicos refletem as abundâncias nas estrelas e no gás interestelar, com uma exceção importante. Os elementos leves lítio, berílio e boro são muito mais abundantes nos raios cósmicos do que no Sol e nas estrelas. Esses elementos leves são formados quando núcleos cósmicos de carbono, nitrogênio e oxigênio de alta velocidade colidem com prótons no espaço interestelar e se separam. (A propósito, se você, como a maioria dos leitores, não memorizou todos os elementos e quer ver como qualquer um dos que mencionamos se encaixa na sequência de elementos, você encontrará todos eles listados no Apêndice K na ordem do número de prótons que eles contêm.)

Os raios cósmicos chegam à Terra em números substanciais, e podemos determinar suas propriedades capturando-os diretamente ou observando as reações que ocorrem quando eles colidem com átomos em nossa atmosfera. A energia total depositada pelos raios cósmicos na atmosfera da Terra é apenas cerca de um bilionésimo da energia recebida do Sol, mas é comparável à energia recebida na forma de luz das estrelas. Alguns dos raios cósmicos chegam à Terra pela superfície do Sol, mas a maioria vem de fora do sistema solar.

De onde eles vêm?

Há um problema sério na identificação da origem dos raios cósmicos. Como a luz viaja em linha reta, podemos dizer de onde ela vem simplesmente olhando. Os raios cósmicos são partículas carregadas e sua direção de movimento pode ser alterada por campos magnéticos. Os caminhos dos raios cósmicos são curvos tanto pelos campos magnéticos no espaço interestelar quanto pelo próprio campo da Terra. Os cálculos mostram que os raios cósmicos de baixa energia podem espiralar muitas vezes ao redor da Terra antes de entrarem na atmosfera, onde podemos detectá-los. Se um avião circunda um aeroporto várias vezes antes de pousar, é difícil para um observador determinar a direção de onde ele se originou. Da mesma forma, depois que um raio cósmico circunda a Terra várias vezes, é impossível saber onde sua jornada começou.

No entanto, existem algumas pistas sobre onde os raios cósmicos podem ser gerados. Sabemos, por exemplo, que os campos magnéticos no espaço interestelar são fortes o suficiente para impedir que todos os raios cósmicos, exceto os mais energéticos, escapem da galáxia. Portanto, parece provável que eles sejam produzidos em algum lugar dentro da galáxia. As únicas exceções prováveis são aquelas com a maior energia. Esses raios cósmicos se movem tão rapidamente que não são significativamente influenciados pelos campos magnéticos interestelares e, portanto, podem escapar de nossa galáxia. Por analogia, eles também poderiam escapar de outras galáxias, então alguns dos raios cósmicos de maior energia que detectamos podem ter sido criados em alguma galáxia distante. Ainda assim, a maioria dos raios cósmicos deve ter sua fonte dentro da Via Láctea.

Também podemos estimar até onde os raios cósmicos típicos viajam antes de atingir a Terra. Os elementos leves lítio, berílio e boro são a chave. Como esses elementos são formados quando carbono, nitrogênio e oxigênio atingem os prótons interestelares, podemos calcular por quanto tempo, em média, os raios cósmicos devem viajar pelo espaço para experimentar colisões suficientes para contabilizar a quantidade de lítio e os outros elementos de luz que eles contêm. Acontece que a distância necessária é de cerca de 30 vezes ao redor da galáxia. Em velocidades próximas à da luz, talvez sejam necessários de 3 a 10 milhões de anos para que o raio cósmico médio percorra essa distância. Esta é apenas uma pequena fração da idade da galáxia ou do universo, então os raios cósmicos devem ter sido criados recentemente em uma escala de tempo cósmica.

Os melhores candidatos para uma fonte de raios cósmicos são as explosões de supernovas, que marcam a morte violenta de algumas estrelas (e que discutiremos em A Morte das Estrelas). O material ejetado pela explosão produz uma onda de choque, que viaja pelo meio interestelar. Partículas carregadas podem ficar presas, saltando para frente e para trás na frente da onda de choque muitas vezes. A cada passagem pelo choque, os campos magnéticos dentro dele aceleram as partículas cada vez mais. Eventualmente, eles estão viajando quase à velocidade da luz e podem escapar do choque para se tornarem raios cósmicos. Algumas estrelas colapsadas (incluindo restos de estrelas que sobraram de explosões de supernovas) podem, nas circunstâncias certas, também servir como aceleradoras de partículas. De qualquer forma, descobrimos novamente que a matéria-prima da galáxia é enriquecida pelo ciclo de vida das estrelas. Na próxima seção, examinaremos esse processo de enriquecimento com mais detalhes.

Missão do Telescópio Eletrônico Calorimétrico (CALET)

Você pode assistir a um breve vídeo sobre a missão Calorimetric Electron Telescope (CALET), um detector de raios cósmicos na Estação Espacial Internacional. O link leva você ao “Space Station Live: Cosmic Ray Detector for ISS” da NASA Johnson.

Vídeo\(\PageIndex{1}\): O comentarista da NASA, Pat Ryan, conversa com o Dr. John Wefel, da Louisiana State University, sobre o Calorimetric Electron Telescope (CALET), uma missão astrofísica que buscará assinaturas de matéria escura e fornecerá as maiores medições diretas de energia do espectro eletrônico de raios cósmicos.

Resumo

Os raios cósmicos são partículas que viajam pelo espaço interestelar a uma velocidade típica de 90% da velocidade da luz. Os elementos mais abundantes nos raios cósmicos são os núcleos de hidrogênio e hélio, mas elétrons e pósitrons também são encontrados. É provável que muitos raios cósmicos sejam produzidos em choques de supernovas.

Glossário

raios cósmicos

núcleos atômicos (principalmente prótons) e elétrons que atingem a atmosfera da Terra com energias extremamente altas.