A detecção da partícula Oh-My-God completa 35 anos nesta quinta-feira (15) como o registro do raio cósmico de ultra-alta energia mais poderoso da história. Captado na noite de 15 de outubro de 1991 pelo observatório experimental Fly’s Eye, da Universidade de Utah, nos Estados Unidos, o fenômeno atingiu a atmosfera da Terra com uma energia estimada em 320 exa-elétron-volts (EeV), ou 3,2×10^20 elétron-volts.
Passadas três décadas e meia desde o registro na área militar de Dugway Proving Ground, no estado de Utah, a origem exata do raio cósmico permanece sem explicação definitiva. O rastreamento da trajetória aponta para regiões do espaço onde não há fontes conhecidas capazes de gerar tal aceleração. Na época da descoberta, o astrofísico e pesquisador da Universidade de Utah David Kieda, que operava o telescópio Fly’s Eye, resumiu a surpresa da equipe com a medição. “Ninguém nunca pensou antes que você pudesse concentrar tanta energia em uma única partícula”, disse Kieda, em tradução livre.
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Energia de 320 EeV da partícula Oh-My-God e comparações físicas
O valor de 320 EeV medido na partícula Oh-My-God — expressão em inglês que significa “Ai, meu Deus!” ou “Meu Deus!” — supera em milhões de vezes a capacidade máxima dos mais potentes aceleradores de partículas construídos pela humanidade, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior túnel experimental de colisão subatômica do mundo. Ao atingir a alta atmosfera terrestre, o raio cósmico viajava a aproximadamente 99,99999999999999999999951% da velocidade da luz.
Concentrada em uma única estrutura subatômica, a energia cinética total do evento equivalia a uma faixa entre 48 e 51 joules. No mundo visível a olho nu, essa força microscópica corresponde ao impacto físico de uma bola de boliche ou de um tijolo caindo diretamente sobre o pé de uma pessoa, ou ainda à força de uma bola de beisebol arremessada a uma velocidade entre 90 km/h e 95 km/h. Segundo o relato de David Kieda sobre o trabalho de monitoramento noturno no deserto norte-americano em 1991, os cientistas buscavam anomalias, mas não daquela escala. “Estávamos esperando que pudéssemos captar algo realmente incomum”, declarou o pesquisador da Universidade de Utah.
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Como o observatório Fly’s Eye captou a partícula Oh-My-God em Utah
O detector experimental Fly’s Eye (Olho da Mosca, em português) não observou o corpo subatômico de forma direta, mas registrou o chamado chuveiro atmosférico, termo técnico para a cascata quilométrica de partículas secundárias gerada quando um raio cósmico colide com os átomos da alta atmosfera da Terra. Essa reação em cadeia produz flashes de luz ultravioleta invisíveis ao olho humano, mas que foram rastreados pelos espelhos e sensores instalados pela Universidade de Utah em Dugway Proving Ground para calcular a velocidade, a direção e a carga energética do impacto original.
A medição obtida naquela noite superou o chamado limite Greisen-Zatsepin-Kuzmin (limite GZK), um teto físico teórico segundo o qual raios cósmicos de energia extrema vindos de distâncias muito longas pelo universo deveriam perder força gradualmente ao interagir pelo caminho com a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o resquício térmico do surgimento do cosmos. Como a partícula Oh-My-God chegou à Terra acima desse limite, a física teórica indicava que a fonte emissora deveria estar relativamente próxima em escala astronômica, mas nenhum objeto correspondente foi localizado na direção de origem.
Comparação entre a partícula Oh-My-God e a partícula Amaterasu
Trinta anos após o evento de 1991, em 27 de maio de 2021, o experimento Telescope Array — projeto liderado pela Universidade de Utah e pela Universidade de Tóquio que opera 507 estações detectoras de superfície distribuídas por uma área de 700 km² no deserto de Utah — registrou o segundo raio cósmico mais energético da história. Batizado de partícula Amaterasu, em referência à deusa japonesa do Sol, o fenômeno alcançou 244 EeV (2,4×10^20 elétron-volts) e teve os resultados científicos divulgados oficialmente pela instituição norte-americana em 23 de novembro de 2023, com publicação na revista científica Science.
O estudo sobre esses raios cósmicos de ultra-alta energia no Telescope Array teve como coautor o professor da Universidade de Utah John Belz e contou com a análise de pesquisadores no Brasil, como Carlos Henrique Coimbra-Araújo, engenheiro, mestre em Astronomia pela Universidade de São Paulo (USP), doutor em Física pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e professor associado da Universidade Federal do Paraná (UFPR). Assim como ocorreu com a partícula Oh-My-God em 1991, a trajetória da partícula Amaterasu intrigou os astrofísicos por parecer vir do Vazio Local, uma área aparentemente vazia do espaço situada na borda da Via Láctea, desprovida de galáxias ativas ou objetos conhecidos capazes de produzir tal aceleração.
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Físico da Universidade de Utah e coporta-voz da colaboração Telescope Array, John Matthews explicou por que a origem desses dois eventos desafia os modelos astronômicos atuais. “As partículas têm energia tão alta que não deveriam ser afetadas por campos magnéticos galácticos e extragalácticos. Você deveria ser capaz de apontar de onde elas vêm no céu. Mas, no caso da partícula Oh-My-God e desta nova partícula, você traça sua trajetória até sua fonte e não há nada com energia alta o suficiente para tê-la produzido. Esse é o mistério disso — o que diabos está acontecendo?”, afirmou Matthews.
Limitações de 1991 e o que falta descobrir sobre a partícula Oh-My-God
Mesmo após 35 anos de revisões de dados e do avanço nos detectores de superfície, duas questões centrais sobre o registro de 15 de outubro de 1991 continuam em aberto na astrofísica de partículas. A primeira limitação decorre da própria tecnologia disponível no observatório Fly’s Eye na época: os instrumentos daquele período não puderam determinar de forma conclusiva a composição exata da partícula Oh-My-God, deixando sem confirmação se o raio cósmico era formado por um único próton isolado ou por um núcleo atômico mais pesado, como o de ferro.
Além da dúvida sobre a estrutura química do objeto que atingiu a atmosfera sobre o estado de Utah, o mecanismo físico exato capaz de acelerar a matéria a 320 EeV e a sua origem astrofísica permanecem desconhecidos pela ciência.
