Raios Cósmicos fornecem uma das nossas poucas amostras directas de matéria vinda de fora do sistema solar. São partículas de alta energia que se movem através do espaço quase à velocidade da luz. A maioria dos raios cósmicos são núcleos atómicos despojados dos seus átomos, sendo os prótons (núcleos de hidrogénio) o tipo mais abundante, mas foram medidos núcleos de elementos tão pesados como o chumbo. No entanto, dentro dos raios cósmicos também encontramos outras partículas subatómicas como os neutrões electrões e os neutrinos.
Desde que os raios cósmicos são carregados protões ou núcleos com carga positiva, ou electrões com carga negativa, os seus caminhos através do espaço podem ser desviados por campos magnéticos (excepto para os raios cósmicos de maior energia). Na sua viagem para a Terra, os campos magnéticos da galáxia, o sistema solar e a Terra baralham tanto os seus caminhos de voo que já não podemos saber exactamente de onde vieram. Isso significa que temos de determinar de onde vêm os raios cósmicos por meios indirectos.
p>Porque os raios cósmicos transportam carga eléctrica, a sua direcção muda à medida que viajam através de campos magnéticos. Quando as partículas nos chegam, os seus caminhos estão completamente codificados, como mostra o caminho azul. Não podemos rastreá-las de volta às suas fontes. A luz viaja-nos directamente das suas fontes, como mostra o caminho roxo. (Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA) Uma forma de aprendermos sobre os raios cósmicos é através do estudo da sua composição. De que são eles feitos? De que fracção são electrões? prótons (frequentemente referidos como núcleos de hidrogénio)? núcleos de hélio? outros núcleos de elementos na tabela periódica? Medir a quantidade de cada elemento diferente é relativamente fácil, uma vez que as diferentes cargas de cada núcleo dão assinaturas muito diferentes. Mais difícil de medir, mas uma melhor impressão digital, é a composição isotópica (núcleos do mesmo elemento, mas com números diferentes de neutrões). Para distinguir os isótopos envolve, com efeito, pesar cada núcleo atómico que entra no detector de raios cósmicos.
Todos os elementos naturais da tabela periódica estão presentes em raios cósmicos. Isto inclui elementos mais leves que o ferro, que são produzidos em estrelas, e elementos mais pesados que são produzidos em condições violentas, tais como uma supernova no final da vida de uma estrela maciça.
p>O espectrómetro de isótopos de raios cósmicos (CRIS – a caixa à esquerda da nave espacial, com um rótulo amarelo) na nave espacial Advanced Composition Explorer (ACE) fornece medições dos isótopos dos núcleos de raios cósmicos galácticos que vão do hélio ao zinco. O ACE foi lançado em Agosto de 1997. (Crédito: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory) Diferenças detalhadas nas suas abundâncias podem falar-nos de fontes de raios cósmicos e da sua viagem através da galáxia. Cerca de 90% dos núcleos de raios cósmicos são hidrogénio (prótons), cerca de 9% são hélio (partículas alfa), e todos os restantes elementos constituem apenas 1%. Mesmo neste 1% há elementos e isótopos muito raros. Elementos mais pesados que o ferro são significativamente mais raros no fluxo de raios cósmicos, mas a sua medição produz informação crítica para compreender o material de origem e a aceleração dos raios cósmicos
p>SuperTIGER pendurado no veículo de lançamento pouco antes do seu lançamento em Dezembro de 2012 com o Monte Erebus em segundo plano. SuperTIGER é um instrumento de balão de raios cósmicos que mede raios cósmicos mais pesados que o ferro para explorar a fonte dos raios cósmicos e os seus locais de aceleração. O primeiro voo do SuperTIGER durou 55 dias, um recorde na duração de um balão científico de longa duração na Antárctida. (Crédito: Ryan Murphy/Washington University) P>Even se não conseguirmos rastrear os raios cósmicos directamente até uma fonte, eles ainda nos podem falar sobre objectos cósmicos. A maioria dos raios cósmicos galácticos são provavelmente acelerados nas ondas de explosão de restos de supernovas. Os restos das explosões que expandem nuvens de gás e campo magnético podem durar milhares de anos, e é aqui que os raios cósmicos são acelerados. Saltar para trás e para a frente no campo magnético do remanescente deixa algumas das partículas ganharem energia, e tornarem-se raios cósmicos. Eventualmente, elas acumulam velocidade suficiente para que o remanescente já não as possa conter, e escapam para a galáxia.
Raios cósmicos acelerados em remanescentes de supernovas só podem atingir uma certa energia máxima, que depende do tamanho da região de aceleração e da força do campo magnético. No entanto, foram observados raios cósmicos em energias muito superiores às que os restos de supernovas podem gerar, e de onde vêm estas energias ultra-altas é uma grande questão em aberto na astronomia. Talvez elas venham de fora da galáxia, de núcleos galácticos activos, quasares ou rajadas de raios gama. Ou talvez sejam a assinatura de alguma nova física exótica: supercordas, matéria escura exótica, neutrinos de forte interacção, ou defeitos topológicos na própria estrutura do universo. Perguntas como estas ligam a astrofísica de raios cósmicos à física básica das partículas e à natureza fundamental do universo.
Configuradas por um campo magnético em restos de supernovas, partículas de alta energia movem-se aleatoriamente. Por vezes, atravessam a onda de choque. Com cada viagem de ida e volta, ganham cerca de 1% da sua energia original. Após dezenas a centenas de travessias, a partícula move-se perto da velocidade da luz e é finalmente capaz de escapar. (Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA)
Texto actualizado: Julho 2017