Os Raios Cósmicos: uma mensagem do espaço

Os raios cósmicos são partículas carregadas e extremamente energéticas que se deslocam em velocidades próximas à da luz. Podem atingir continuamente nossa atmosfera vindo de todas as direções do universo. Essas partículas são geralmente núcleos de hidrogênio ou hélio (partículas alfa). Elas também podem ser núcleos de elementos mais pesados.

Quando uma dessas partículas chegam na atmosfera terrestre, elas se chocam com os constituintes da atmosfera. Isso cria uma impressionante cascata de partículas secundárias com menor energia. Essa cascata permanece até que exista partículas com energia o suficiente para produzir outras durante as colisões, criando assim um chuveiro de partículas que chegam na superfície.

A descoberta dos raios cósmicos

A pesquisa que levou à descoberta dos raios cósmicos começou no início do século XX, logo após as pesquisas envolvendo decaimentos radioativos. Muitas descobertas científicas relacionadas às radiações estavam acontecendo.

• A descoberta dos Raios X em 1895 por Roentgen.
• A radioatividade em 1896 por Henri Becquerel estudando corpos fosforescentes.
• E as emissões radiativas compostas pelos raios alfa (α) e raios beta (β) descobertas por Marie e Pierre Curie e Rutherford.

Nesta época, percebeu-se um fenômeno peculiar no descarregamento dos eletroscópios carregados eletricamente. Eletroscópios são instrumentos usados para detectar a presença e a magnitude de cargas elétricas em um corpo. Vários equipamentos para esse propósito foram desenvolvidos entre 1700 e 1900.

No início do século XX o principal equipamento era o eletroscópio folha de ouro. Ele é constituído por uma haste de metal, normalmente de bronze, no qual encontram-se duas tiras paralelas de folha de ouro finas em uma extremidade [figura 1]. Na outra extremidade encontra-se um terminal. Para proteger as folhas de ouro da eletrização do ar elas são inseridas e isoladas em uma garrafa de vidro. O funcionamento do equipamento é relativamente simples.

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Ao se aproximar um material eletrizado do terminal condutor, as folhas de ouro se afastam em um formato de “V”. Isso ocorre porque parte da carga do objeto é conduzido através da barra de metal para as folhas. Como as folhas ficam carregadas com cargas de mesmo sinal, elas tendem a se afastar. Do mesmo jeito que lados de mesma carga de uma imã se afastam.

Desta forma, sem qualquer interferência externa, os eletroscópios tendem a se manter carregados. Porém, quando deixados a céu aberto, descarregam-se gradualmente, independentemente do tipo de ajuste em seu interior e de seu isolamento em relação ao meio externo. Descartando a hipótese de falha instrumental, começou-se a busca por fontes de radiação externa que pudessem provocar a descarga.

Inicialmente, acreditou-se que a radiação poderia ser oriunda do Sol. No entanto, isso foi logo descartado porque o fenômeno acontecia tanto durante o dia, quanto durante a noite. Uma outra hipótese levantado foi a de que a descarga poderia ser resultado da própria radiação emitida pela crosta terreste.

Por volta de 1900, discutia-se muito a respeito da radioatividade dos constituintes do solo, afinal, elementos como urânio ou tório emitem raios gama (γ) muito penetrantes. Para verificar isso, vários experimentos foram realizados a fim de encontrar ou confirmar a possível fonte de radiação. Theodor Wulf fez observações usando um eletroscópio no topo da Torre Eiffel durante 3 dias. Supondo que a ionização fosse causada por uma fonte natural de radiação γ, e conhecendo o coeficiente de absorção do ar, o cientista esperava que a taxa de ionização fosse abaixo da metade até 80 metros e praticamente nula a 300 metros do solo. Wulf constatou, de fato, uma diminuição significativa. No entanto, a 300 metros a taxa ainda era alta. Assim ele concluiu que:

• ou haveria fontes de raios γ na atmosfera;
• ou a absorção desta radiação pelo ar seria menor do que se imaginava.

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Com a mesma motivação, Albert Gockel também chegou a praticamente as mesmas conclusões. Porém suas medidas foram feitas com os eletroscópios em balões.

Essas observações foram importantes para um outro cientista. Viktor Franz Hess realizou experimentos em laboratórios para medir o coeficiente de absorção dos raios cósmicos. Ele utilizou a observação de balões (a primeira em 1911) e conseguiu chegar a conclusão de que em até 1000 m de altitude, a radiação diminuía devido a absorção pelo ar dos raios γ provenientes da superfície terrestre. Para além dessa altitude, haveria um aumento significativo de radiação que não poderia ser explicado pelas substâncias radioativas presentes nas nuvens ou pelas variações meteorológicas.

O alto poder de penetração dessa radiação levou diversos pesquisadores a fazerem experimentos com eletroscópio submersos em lagos localizados em regiões de alta altitude. Nessas condições, o equipamento continuava descarregando, fortalecendo a hipótese de que a radiação que causava a descarga do aparelho provinha de fora do planeta Terra. Essas radiações extra-terrestres são os famosos raios cósmicos. A descoberta dos raios cósmicos deu ao cientista Victor Hess o prêmio Nobel de física em 1936.

Efeito do campo geomagnético

Acreditava-se que os raios cósmicos eram compostos por ondas eletromagnéticas. Essa hipótese foi embasada nas observações de Robert Millikan. Ele mostrou que os raios cósmicos não apresentavam variações significativas ao longo da latitude do planeta e, desta forma, não existiria interação desta radiação com o campo geomagnético. Porém, em 1930, Arthur Compton mostrou a existência de um efeito latitudinal da radiação cósmica. Os raios cósmicos, por serem partículas carregadas, ao se aproximarem da Terra, interagem com o campo geomagnético. Portanto, será medida uma maior intensidade de raios cósmicos em locais que o campo magnético interferir menos no desvio dos raios cósmicos.

O chuveiro de partículas

Em 1938, o francês Pierre Auger e sua equipe demonstraram a existência de um fluxo de partículas vindas do espaço. Os cientistas utilizaram detectores de radiação ionizante, que estavam separados por diferentes regiões no solo.. A descoberta permitiu a introdução do conceito de chuveiro atmosférico. Esse conceito forçou a construção de mais detectores. É por isso, que existem inúmeros observatórios com detectores espalhados por milhares de km² na superfície da Terra.

Os Raios Cósmicos são basicamente classificados em dois tipos:

• Os Raios Cósmicos primários, que são majoritariamente prótons;
• E os secundários, que são produtos diretos das colisões com as moléculas na atmosfera terrestre.

Em um processo cascata, a energia é repartida em um enorme número de partículas. Se, ao final do processo, existir 1 milhão de partículas produzidas, cada uma dela carrega 1 milionésimo da energia da partícula primária.

Com o avanço das pesquisas, o estudo dos raios cósmicos seguiu por duas direções distintas:

• Compreenderem sua natureza e suas origens
• Usar a alta energia cinética dessas partículas para estilhaçar e descobrir a constituição básica da matéria.

De onde vem os raios cósmicos? 

Os raios cósmicos se movem pelo espaço interplanetário sofrendo ação de campos magnéticos. As estrelas, por exemplo, mudam a trajetória das partículas carregadas em alta velocidade. Porém, o mecanismo de formação e origem dessas partículas ainda não é perfeitamente compreendido pela Ciência.

Suspeita-se que a aceleração de partículas com até 10¹⁶ eV(eletrón-volt) seja provocada pela explosão no final da vida de uma estrela conhecida como supernovas. A primeira evidência disso foi fornecida em 2013, quando o telescópio espacial Fermi de raios gama observou duas supernovas: IC433 e W44.

Raios cósmicos ultra-energéticos, com energias acima de 10¹⁸ eV, não tem sua trajetória desviada facilmente. Partículas desse tipo são muito raras de se observar em nosso planeta. Para se ter uma ideia, a incidência delas em nosso planeta é de 1 partícula/km² a cada 100 anos. A figura 4 apresenta o diagrama do fluxo de raios cósmicos distribuídos de acordo com sua energia.

A existência de partículas tão energéticas sempre levantou questionamentos: elas seriam geradas na própria Via Láctea ou viriam de fora? Um estudo recente, realizado por pesquisadores do Observatório Auger na Argentina, concluiu que as partículas chegam em maior número de uma direção específica do céu. Essa direção aponta para bem longe do centro da via Láctea, uma forte evidência de que elas se originam fora de nossa galáxia.

Apesar da confirmação da origem extragaláctica, muitas questões ainda carecem de respostas.

REFERÊNCIAS

Ginzburg VL. Cosmic ray astrophysics (history and general review). Physics-Uspekhi,Vol. 39. No.2, 1996.

Otaola JA, Valdés-Galicia JF. Los rayos cósmicos: mensajeros de las estrellas. Cidade do México: Fondo de Cultura Económica, 1992.

SBPF. Raios Cósmicos: energia extremas no universo. 2004.

Bustamante MC. A descoberta dos raios cósmicos ou o problema da ionização do ar atmosférico. Revista Brasileira de Ensino de Física. 2013.

Saran MCB. Astrofísica de partículas na sala de aula-uma sequência de ensino e aprendizagem sobre raios cósmicos para o ensino médio. 2012. 131 f. Dissertação (Mestrado), Universidade de São Carlos, São Paulo, 2012.

Pierre Auger et al. Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV. Science. 2017.