Céu de rádio de baixa frequência no momento de um raio cósmico atingido. Crédito de imagem: MPIFR. Clique para ampliar.
Usando o experimento LOPES, um protótipo do novo radiotelescópio de alta tecnologia LOFAR para detectar partículas de raios cósmicos de energia ultra alta, um grupo de astrofísicos, em colaboração com Max-Planck-Gesellschaft e Helmholtz-Gemeinschaft, registrou os mais brilhantes e rápidos explosões de rádio já vistas no céu. As explosões, cuja detecção é relatada na edição desta semana da revista Nature, são dramáticos flashes de luz de rádio que aparecem mais de 1000 vezes mais brilhantes que o sol e quase um milhão de vezes mais rápidos que os raios normais. Por um breve momento, esses flashes - que passaram despercebidos até agora - se tornaram a luz mais brilhante do céu, com um diâmetro duas vezes maior que o da lua.
O experimento mostrou que os flashes de rádio são produzidos na atmosfera terrestre, causados pelo impacto das partículas mais energéticas produzidas no cosmos. Essas partículas são chamadas raios cósmicos de energia ultra alta e sua origem é um quebra-cabeça contínuo. Os astrofísicos agora esperam que sua descoberta lance uma nova luz sobre o mistério dessas partículas.
Os cientistas usaram uma série de antenas de rádio e uma grande variedade de detectores de partículas do experimento KASCADE-Grande em Forschungszentrum Karlsruhe. Eles mostraram que sempre que uma partícula cósmica muito energética atinge a atmosfera terrestre, um pulso de rádio correspondente é registrado a partir da direção da partícula que chega. Usando técnicas de imagem da radioastronomia, o grupo produziu sequências de filmes digitais desses eventos, produzindo os filmes mais rápidos já produzidos em radioastronomia. Os detectores de partículas forneceram informações básicas sobre os raios cósmicos recebidos.
Os pesquisadores foram capazes de mostrar que a força do sinal de rádio emitido era uma medida direta da energia dos raios cósmicos. “É incrível que, com simples antenas de rádio FM, possamos medir a energia das partículas provenientes do cosmos”, afirma o professor Heino Falcke, da Fundação Holandesa de Pesquisa em Astronomia (ASTRON), porta-voz da colaboração do LOPES. “Se tivéssemos olhos sensíveis no rádio, veríamos o céu brilhar com flashes de rádio”, acrescenta.
Os cientistas usaram pares de antenas semelhantes aos usados em receptores de rádio FM comuns. “A principal diferença em relação aos rádios normais é a eletrônica digital e os receptores de banda larga, que nos permitem ouvir muitas frequências ao mesmo tempo”, explica Dipl. Phys. Andreas Horneffer, um estudante de graduação da Universidade de Bonn e da Escola Internacional de Pesquisa Max-Planck (IMPRS), que instalou as antenas como parte de seu projeto de doutorado.
Em princípio, alguns dos flashes de rádio detectados são fortes o suficiente para eliminar a recepção de rádio ou TV convencional por um curto período de tempo. Para demonstrar esse efeito, o grupo converteu a recepção de rádio de um evento de raios cósmicos em uma trilha sonora (veja abaixo). No entanto, como os flashes duram apenas 20 a 30 nanossegundos e os sinais luminosos acontecem apenas uma vez por dia, eles dificilmente serão reconhecidos na vida cotidiana.
O experimento também mostrou que a emissão de rádio variava em força em relação à orientação do campo magnético da Terra. Este e outros resultados verificaram previsões básicas que foram feitas em cálculos teóricos anteriormente pelo Prof. Falcke e seu ex-aluno de doutorado Tim Huege, bem como pelos cálculos do Prof. Peter Gorham da Universidade do Havaí.
As partículas de raios cósmicos bombardeiam constantemente a Terra, causando pequenas explosões de partículas elementares que formam um feixe de matéria e partículas antimatérias correndo pela atmosfera. As partículas mais leves carregadas, elétrons e pósitrons, neste feixe serão desviados pelo campo geomagnético da Terra, que os faz emitir emissões de rádio. Este tipo de radiação é bem conhecido dos aceleradores de partículas na Terra e é chamado radiação síncrotron. Por analogia, os astrofísicos agora falam da radiação "geossincrotron" devido à interação com o campo magnético da Terra.
Os flashes de rádio foram detectados pelas antenas LOPES instaladas no experimento do chuveiro cósmico de raios cósmicos KASCADE-Grande em Forschungszentrum Karlsruhe, Alemanha. KASCADE-Grande é um experimento líder para medir raios cósmicos. "Isso mostra a força de ter um grande experimento de física de astropartículas diretamente em nossa vizinhança - isso nos deu a flexibilidade de também explorar idéias incomuns como esta", diz o Dr. Andreas Haungs, porta-voz da KASCADE-Grande.
O radiotelescópio LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) usa antenas protótipo do maior radiotelescópio do mundo, LOFAR, a ser construído após 2006 na Holanda e em partes da Alemanha. O LOFAR tem um novo design radical, combinando uma infinidade de antenas baratas de baixa frequência que coletam os sinais de rádio de todo o céu ao mesmo tempo. Conectado à Internet de alta velocidade, um supercomputador tem a capacidade de detectar sinais incomuns e criar imagens de regiões interessantes no céu sem mover peças mecânicas. “O LOPES alcançou os primeiros grandes resultados científicos do projeto LOFAR já em fase de desenvolvimento. Isso nos deixa confiantes de que a LOFAR será realmente tão revolucionária quanto esperávamos que fosse. ” explica o Prof. Harvey Butcher, diretor da Fundação Holandesa de Pesquisa em Astronomia (ASTRON) em Dwingeloo, Holanda, onde o LOFAR está atualmente sendo desenvolvido.
“Esta é realmente uma combinação incomum, onde físicos nucleares e radioastrônomos trabalham juntos para criar um experimento físico de astropartículas único e altamente original”, afirma o Dr. Anton Zensus, diretor do Max-Planck-Institut for Radioastronomie (MPIfR) em Bonn. “Ele abre caminho para novos mecanismos de detecção na física de partículas, além de demonstrar as capacidades de tirar o fôlego dos telescópios da próxima geração, como o LOFAR e, posteriormente, o Square Kilometer Array (SKA). De repente, grandes experiências internacionais em diferentes áreas de pesquisa se reúnem ”
Como próximo passo, os astrofísicos querem usar a próxima matriz do LOFAR na Holanda e na Alemanha para pesquisas em radioastronomia e raios cósmicos. Estão em andamento testes para integrar antena de rádio no Observatório Pierre Auger para raios cósmicos na Argentina e possivelmente mais tarde no segundo Observatório Auger no hemisfério Norte. “Essa pode ser uma grande inovação na tecnologia de detecção. Esperamos usar essa nova técnica para detectar e entender a natureza dos raios cósmicos de energia mais alta e também para detectar neutrinos de energia ultra alta do cosmos ”, diz o Prof Johannes Blmer, diretor do programa de Física de Astropartículas da Associação Helmholtz e na Forschungszentrum Karlsruhe.
A detecção foi confirmada em parte por um grupo francês, usando o grande radiotelescópio do observatório de Paris em Nanáy. Historicamente, o trabalho de emissão de rádio por raios cósmicos foi realizado pela primeira vez no final dos anos 60, com as primeiras reivindicações de detecções. No entanto, nenhuma informação útil pôde ser extraída com a tecnologia atual e o trabalho cessou rapidamente. As principais deficiências foram a falta de recursos de imagem (agora implementados por software), a baixa resolução de tempo e a falta de um conjunto de detectores de partículas bem calibrado. Tudo isso foi superado com o experimento LOPES.
Fonte original: MPI News Release
