Raios cósmicos extremamente poderosos estão a chover sobre nós. Ninguém sabe de onde vêm.

P>Pode pensar que os maiores e mais perplexos mistérios do universo existem lá fora, à beira de um buraco negro, ou dentro de uma estrela em explosão.

Não, grandes mistérios do universo rodeiam-nos, o tempo todo. Eles até nos permeam, navegando directamente através dos nossos corpos. Um desses mistérios são os raios cósmicos, feitos de minúsculos pedaços de átomos. Estes raios, que estão a atravessar-nos neste preciso momento, não são prejudiciais para nós ou qualquer outra vida na superfície da Terra.

Mas alguns transportam tanta energia que os físicos ficam perplexos com o objecto no universo que os poderia ter criado. Muitos são demasiado poderosos para se terem originado do nosso sol. Muitos são demasiado poderosos para se terem originado de uma estrela em explosão. Porque os raios cósmicos não viajam frequentemente em linha recta, nem sequer sabemos de onde no céu nocturno eles vêm.

A resposta ao mistério dos raios cósmicos pode envolver objectos e fenómenos físicos no universo que nunca ninguém viu ou registou antes. E os físicos têm em curso várias experiências enormes em todo o mundo agora dedicadas a resolver o caso.

Embora não saibamos de onde vêm, ou como chegam aqui, podemos ver o que acontece quando estes raios cósmicos atingem a atmosfera do nosso planeta quase à velocidade da luz.

Os raios cósmicos são mensageiros do universo em geral; um lembrete de que fazemos parte dele, e um lembrete de que ainda há muito mistério lá fora. Vamos ver de perto estas espantosas partículas, chovendo na Terra de longe.

Bater na nossa atmosfera

Quando as partículas em raios cósmicos colidem com os átomos no topo da atmosfera, rebentam, rasgando átomos numa colisão violenta. As partículas dessa explosão continuam então a rebentar outros pedaços de matéria, numa reacção em cadeia de bola de neve. Alguns destes estilhaços atómicos atingem mesmo o solo.

É possível ver isto em acção através da construção do que se chama uma câmara de nuvens a partir de um frasco de vidro, feltro, gelo seco, e álcool isopropílico (i.e. esfregar álcool). Mergulha-se o feltro no álcool, e o gelo seco (que é dióxido de carbono sólido super-frio) arrefece o vapor do álcool, que está a fluir a partir do feltro. Isto cria uma nuvem de vapor de álcool.

Nesta câmara, é possível ver os raios cósmicos, particularmente os de uma partícula chamada muon. Os muões são como os electrões, mas um pouco mais pesados. Cada centímetro quadrado da Terra ao nível do mar, incluindo o espaço no topo da cabeça, é atingido por um muão a cada minuto.

Como os electrões, os muões transportam uma carga negativa. Quando os muões atravessam a nuvem de álcool, ionizam (carregam) o ar pelo qual passam. A carga no ar atrai o vapor do álcool, e condensa-se em gotículas. E essas gotículas traçam então o caminho dos raios cósmicos feitos através da câmara.

Quando vir os caminhos que estes muões fazem, pense nisto: Estas partículas subatómicas foguem para a Terra a 98 por cento da velocidade da luz.

Movem-se tão depressa que experimentam a dilatação temporal prevista pela teoria da relatividade especial de Einstein. É suposto que se decomponham – isto é, que se desfaçam em componentes mais pequenos, electrões e neutrinos – em apenas 2,2 microssegundos, o que significaria que mal desceriam 2.000 pés do topo da atmosfera antes de morrerem. Mas por se moverem tão depressa, relativamente a nós, envelhecem 22 vezes mais lentamente (uma coisa semelhante aconteceu com o personagem de Matthew McConaughey no filme Interstellar, ao acelerar a sua velocidade relativa aproximando-se de um buraco negro)

Se a teoria de Einstein não fosse verdadeira, não veríamos quaisquer muões na câmara das nuvens. Felizmente, eles são inofensivos, movendo-se tão depressa que não têm tempo para dar um murro de impacto no seu corpo. Os cientistas podem fazer algumas coisas frescas com os muons, como usá-los para fotografar o interior da Grande Pirâmide no Egipto.

Recordar que estes raios foram potencialmente impelidos por forças de fora do nosso sistema solar, por forças que nenhum físico compreende. Isso é simplesmente fantástico.

“Os nossos colegas físicos teóricos estão perplexos” sobre como estas partículas são energizadas, diz Charles Jui, um físico da Universidade de Utah na caça aos raios cósmicos. “Também não conseguimos descobrir de onde vêm”

Raios cósmicos, explicou

O mistério dos raios cósmicos começou com a sua descoberta em 1912. Foi quando o físico Victor Hess deu uma volta num balão de ar quente e descobriu que a quantidade de radiação na atmosfera aumenta quanto mais alto se sobe.

Ele estava no balão para isolar a sua experiência da radiação. Mas era apenas mais ruidoso mais acima. Isso levou-o a concluir que a radiação vinha do espaço, e não a radioactividade das rochas na terra.

Ele também fez este passeio de balão durante um eclipse solar total. Com a lua a bloquear o sol, a radiação cósmica vinda do sol deveria ter sido filtrada. Mas ele ainda registou alguma. Isso levou-o a perceber que a radiação não vinha do sol, mas sim do espaço mais profundo. A sua descoberta dos raios cósmicos valeu-lhe o Prémio Nobel da Física de 1936.

A partícula de raios cósmicos de maior energia jamais registada, chamada partícula “Oh-Meu-Deus”, era cerca de 2 milhões de vezes mais enérgica do que o protão mais calórico impulsionado pelo Large Hadron Collider, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo.

Que a energia, explica Antonella Castellina, uma astrofísica italiana do Observatório Pierre Auger, é semelhante a uma profissional de ténis de topo a bater numa bola com toda a sua força. Ora, isso não parece muito. Mas imagine toda essa energia espremida numa área mais pequena do que um átomo – isso é extremo. É energia suficiente para acender uma lâmpada por um segundo ou mais. “Ninguém sabe o que no universo é capaz de dar a uma partícula subatómica tal energia”, diz ela.

Mais do que isso, os cientistas ficam perplexos com a forma como tal partícula pode mesmo chegar à Terra. Pensa-se que as partículas com energias tão elevadas e loucas interagem com os restos de radiação do Big Bang e a criação do universo, o que deveria colocar as quebras antes de nos alcançarem.

O que criou a partícula “Oh-Meu-Deus” e raios cósmicos igualmente poderosos é um mistério completo e desconcertante. (Pode estar a pensar, porque é que estamos a chamar a estas partículas “raios”? É um nome um pouco errado que ficou por aí desde quando foram descobertas há um século atrás. Também são chamadas de “astropartículas”. Mas os raios cósmicos soam mais frescos, por isso vamos ficar por aí.)

Os raios cósmicos foram descobertos há 100 anos atrás. Por isso, pode estar a pensar: Porque é que não conseguimos descobrir o que é que nos está a disparar estes raios cósmicos?

Bem, sabemos que alguns raios cósmicos vêm do sol. Mas os mais fortes, os mais misteriosos, vêm do grande caminho – para fora – da galáxia e do universo.

O problema de procurar as fontes destes raios cósmicos de energia muito elevada é que os raios nem sempre viajam em linha recta. Os vários campos magnéticos da galáxia e do universo desviam-nos, e colocam-nos em trajectórias curvas.

Muitos dos raios cósmicos que atingem a Terra – particularmente os que vêm do nosso sol – são desviados para os pólos devido ao campo magnético da Terra. É por isso que temos as Luzes do Norte e do Sul perto dos pólos.

Existem alguns grandes projectos em curso para compreender melhor de onde vêm estes raios cósmicos. Um envolve um bloco de gelo verdadeiramente enorme no Pólo Sul.

Um enorme bloco de gelo no Pólo Sul é um detector de raios cósmicos gigante

Não há muito vivo no fundo do mundo, excepto para os físicos. Ali, no Pólo Sul, construíram o Observatório Neutrino IceCube, forjado directamente no gelo sob a superfície do Pólo Sul.

É um bloco de gelo cristalino de 1 quilómetro cúbico (cerca de 1,3 mil milhões de metros cúbicos) rodeado por sensores. Estes sensores são configurados para detectar quando partículas subatómicas chamadas neutrinos – que viajam juntamente com outras partículas subatómicas em raios cósmicos – colidem com a Terra.

Como funciona não é tão diferente da experiência da câmara de nuvens que lhe mostrámos acima. Está a tentar traçar o caminho que um tipo muito especial de raio cósmico – chamado neutrino – faz através do observatório.

Neutrinos são diferentes dos outros componentes dos raios cósmicos de uma forma realmente importante: Eles não interagem muito com outras formas de matéria. Não têm qualquer carga eléctrica. Isso significa que viajam através do universo numa linha relativamente recta, e podemos rastreá-los até uma fonte.

“Se eu acender uma lanterna através de uma parede, a luz não passará”, disse-me Naoko Kurahashi Neilson, um físico de partículas da Universidade Drexel. “Isto porque as partículas de luz, os fotões, interagem com as partículas da parede e não conseguem penetrar. Se eu tivesse uma lanterna de neutrino, esse fluxo de neutrinos atravessaria a parede”

mas de vez em quando um neutrino – talvez cada um em 100.000 – atingirá um átomo no gelo no observatório e quebrará o átomo.

Então algo de espectacular acontece: A colisão produz outras partículas subatómicas, que são depois impulsionadas para uma velocidade superior à da luz à medida que passam pelo gelo.

Talvez tenha ouvido dizer que nada pode viajar mais depressa do que a luz. Isso é verdade, mas apenas no vácuo. Os fótons que compõem a luz (uma partícula subatómica por direito próprio), na realidade abrandam um pouco quando entram numa substância densa como o gelo. Mas outras partículas subatómicas, como muões e electrões, não abrandam.

Quando as partículas se movem mais rapidamente que a luz através de um meio como o gelo, elas brilham. Chama-se radiação Cherenkov. E o fenómeno é semelhante ao de uma explosão sónica. (Quando se vai mais depressa do que a velocidade do som, produz-se uma explosão de ruído.) Quando as partículas se movem mais depressa do que a luz, deixam os despertares de uma luz azul assustadora como uma lancha deixa os despertares na água. Aqui está uma representação artística de como tudo isto se parece. O neutrino é a forma de gota de lágrima em cinzento.

Outros observatórios à procura de raios cósmicos são igualmente enormes

O Observatório Pierre Auger, onde Castellina trabalha, utiliza um conjunto de 1.600 tanques, cada um cheio com 3.000 galões de água. Os tanques estão espalhados por mais de 1.000 milhas quadradas em Mendoza, Argentina.

Os tanques funcionam como o bloco de gelo no Pólo Sul. Mas em vez de utilizarem gelo para registar os raios cósmicos, utilizam água. Os tanques são completamente pretos por dentro. Mas quando os raios cósmicos – mais do que apenas neutrinos – entram nos tanques, causam pequenas explosões de luz, através da radiação Cherenkov, uma vez que excedem a velocidade da luz na água.

Se muitos dos tanques registarem uma explosão de raios cósmicos ao mesmo tempo, os cientistas podem então trabalhar para trás e descobrir a energia da partícula que atinge o topo da atmosfera. Podem também adivinhar de onde no céu a partícula foi atingida.

No Hemisfério Norte, há uma experiência semelhante em Utah chamada “telescope array”. Tal como os tanques na América do Sul, a matriz em Utah tem uma série de detectores espalhados por uma área enorme. Actualmente, ocupa cerca de 300 milhas quadradas, mas há uma actualização na obra, expandindo-a até 1.200 milhas quadradas. (Quanto maior a área, maior a possibilidade de detectar os raios cósmicos mais elusivos e poderosos.)

Os detectores em Utah são feitos de plástico acrílico super claro, e estão alojados em unidades que se assemelham a camas de hospital.

Se muitos dos detectores registarem um acerto em sequência (pense nas partículas que atingem o chão ao mesmo tempo como se fossem pastilhas de espingarda num quadro de alvos), “pode reconstruir a direcção” de onde vieram, diz Jui, o físico da Universidade de Utah que trabalha na matriz.

O observatório também pode fazer algo fixe. Em noites muito claras e escuras no deserto de Utah, pode realmente ver os rastros ténues de raios cósmicos a iluminarem-se na nossa atmosfera.

“A ideia é que se pode ver o duche de ar a desenvolver-se na atmosfera utilizando câmaras ultravioletas”, diz Jui. “Estas são câmaras que estão a captar vídeos, ao longo de alguns microssegundos, dez frames por microssegundo, e depois é possível ver realmente a linha estendida no céu, e medir a energia a partir disso”

É possível ajudar na procura de raios cósmicos

Com dados suficientes sobre estes raios cósmicos de alta energia, os cientistas esperam poder um dia identificar melhor de onde vêm no céu.

O problema é que neste momento, eles simplesmente não têm observações suficientes dos raios cósmicos mais poderosos.

Vai levar algum tempo porque os raios cósmicos mais poderosos não passam pelos detectores com demasiada frequência: Cada quilómetro quadrado de Terra só vê cerca de uma destas partículas por século. E para ter em conta o facto de que estes raios não viajam frequentemente em linha recta, vai ser preciso uma montanha de dados.

Mas já temos algumas pistas. O observatório Pierre Auger tem alguns dados (ainda não conclusivos) de que algumas destas partículas de alta energia provêm de galáxias de explosão estelar, que são galáxias que estão a formar estrelas a um ritmo muito rápido. O grupo de Jui concluiu que cerca de um quarto dos raios cósmicos mais poderosos observados vêm de um círculo com cerca de 6% do tamanho do céu nocturno, perto da constelação Big Dipper. Mas essa é uma área enorme de espaço, e não há nenhuma arma fumegante óbvia na região.

Mais pistas continuam a infiltrar-se. No Verão passado, cientistas do observatório IceCube publicaram provas empolgantes de que galáxias chamadas blazars geram algumas destas partículas de alta energia. Os blazares têm no seu centro buracos negros supermassivos que rasgam a matéria nas suas partes constituintes, e depois explodem partículas subatómicas como um canhão laser para o espaço.

Aqui está uma representação de um artista que é muito, muito pouco à escala, mostrando um blazar disparando um feixe de raios cósmicos na Terra.

Os resultados actuais ainda não conseguem explicar os raios cósmicos mais poderosos detectados nos registos. Eles também precisam de ser repetidos.

Existe também a possibilidade de alguns dos raios serem produzidos por forças e objectos que não conhecemos actualmente – ou interagir com coisas misteriosas como matéria negra, de formas que ainda não compreendemos. Podem ser alienígenas, mas duvido.

O que os cientistas precisam é de mais dados, mais observações para poderem identificar as fontes no céu de onde estas partículas estão a vir.

E em breve, poderá entrar na busca. O seu telefone pode ser transformado num detector de raios cósmicos. Daniel Whiteson é um físico da Universidade da Califórnia Irvine que tem estado a trabalhar num projecto de raios cósmicos de origem pública. Chama-se Crayfis (raios cósmicos encontrados nos Smartphones).

“O número de partículas que estão a atingir a atmosfera com energias loucas, é realmente grande. Está nos milhões”, diz Whiteson. Mas observatórios como o Pierre Auger – embora enormes – não são suficientemente grandes para detectar a maioria deles. “Se pudéssemos construir um telescópio suficientemente grande cobrindo enormes extensões de terra, poderíamos recolher muitos dados muito rapidamente”

É aí que entram os smartphones. A câmara no seu telefone funciona porque os fotões – a partícula subatómica que constitui a luz – activa um sensor na parte de trás da lente. Os raios cósmicos também podem activar o sensor. (De vez em quando, também, um raio cósmico pode interferir com um microprocessador e causar a falha de um computador.)

“Se colocar a câmara do seu telefone virada para baixo, a maior parte está bloqueada, e obteria uma imagem negra”, explica ele. “Mas partículas do espaço, passarão directamente pelo seu telefone, tecto, ou parede, e atingirão o , e deixarão um rasto”

A esperança é que milhões de utilizadores possam ligar a maçã à noite enquanto dormem, e ela irá procurar estes raios cósmicos. Com telefones suficientes, espera Whiteson, ele e os seus colegas podem obter uma melhor imagem de onde vêm os raios cósmicos. O projecto ainda não está totalmente lançado. Mas pode inscrever-se agora para se tornar um testador beta quando a aplicação estiver pronta.

Físicos não vão desistir tão cedo. A existência de raios cósmicos de alta energia diz-nos que a nossa compreensão do universo é terrivelmente incompleta.

“Este é um dos fenómenos mais violentos” do universo, diz Jui. Não querem descobrir o que o causa?