Raios cósmicos de energia ultra-alta (UHECRs, na sigla em inglês) podem ser originados por núcleos atômicos mais pesados do que o ferro, segundo hipótese apresentada por físicos teóricos em estudo publicado na revista Physical Review Letters.

Considerados partículas carregadas com energias que ultrapassam os limites dos aceleradores terrestres, os UHECRs são raros em nosso planeta. Entre os exemplos mais emblemáticos estão a partícula Amaterasu, detectada pelo observatório Telescope Array, em Utah, em 2021, e a famosa partícula Oh-My-God, registrada em 1991, conforme detalha o portal Phys.org.

De acordo com os autores, quanto mais pesado o núcleo, mais lentamente ele perde energia ao atravessar o espaço. Se essa hipótese for confirmada, os resultados restringem as possíveis fontes cósmicas capazes de acelerar tais partículas a velocidades extremas.

"Os UHECRs só podem ser acelerados pelas fontes mais poderosas do Universo. Ao detectar partículas individuais de raios cósmicos, como as Amaterasu, na Terra, podemos usar sua energia, direção de entrada e desvio esperado nos campos magnéticos para deduzir uma possível fonte", explica Kohta Murase, professor de física, astronomia e astrofísica da Faculdade de Ciências Eberly da Universidade da Pensilvânia e líder da equipe de pesquisa.

"A origem e os mecanismos de aceleração dessas partículas permanecem, há mais de 60 anos, desde que o primeiro evento desse tipo foi registrado, como um dos principais mistérios em nossa área", acrescenta Murase.

Com energias acima de 100 exa-elétron-volts (100 quintilhões de elétron-volts), essas partículas são cerca de sete ordens de magnitude (10 milhões de vezes) mais energéticas que as partículas aceleradas no Grande Colisor de Hádrons, o maior acelerador de partículas do mundo. A energia registrada da partícula Amaterasu foi de aproximadamente 240 exa-elétron-volts.

"Acredita-se que essas partículas de energias extremas nascem em fontes astrofísicas igualmente extremas, como a colisão de estrelas de nêutrons ou o colapso de estrelas massivas", afirma o físico. "Ao observarmos múltiplos eventos de raios cósmicos, sua distribuição de energia, padrões de direção e composição estatística fornecem pistas essenciais sobre sua origem e aceleração", completa.

Os ambientes mais promissores para a formação e aceleração desses núcleos superpesados são as mortes de estrelas massivas, que colapsam em buracos negros ou se tornam estrelas de nêutrons altamente magnetizadas, além da fusão de estrelas binárias de nêutrons — fenômenos conhecidos por gerar intensas ondas gravitacionais.

Esses eventos cósmicos turbulentos também podem produzir explosões de raios gama, consideradas entre as mais poderosas do Universo. A atuação dessas fontes pode explicar eventuais diferenças nos espectros de UHECRs observados entre os hemisférios norte e sul. Caso os núcleos superpesados realmente contribuam significativamente para o espectro nas maiores energias, os dados deverão indicar uma composição mais pesada do que o ferro.