O ar sobre sua cabeça está vivo com chuveiros invisíveis. Partículas poderosas do espaço estão constantemente atingindo a atmosfera acima de você, gerando uma cascata subatômica que dispara para baixo a uma velocidade próxima da luz. Descobrir onde essas chuvas se originaram e o que elas nos dizem sobre o universo é o trabalho do observatório de High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), um telescópio que consiste em 300 tanques gigantes de água purificada colocados perto do cume do vulcão Sierra Negra no México.
O objetivo do HAWC é encontrar os fenómenos de maior energia no cosmos; incluindo estrelas exóticas, buracos negros supermassivos e aniquilando a matéria escura. Fenômenos como esses produzem raios gama, fótons com mais de um trilhão de vezes a energia da luz óptica que vemos e raios cósmicos, núcleos atômicos carregados com energias até sete vezes maiores do que os prótons esmagados no Large Hadron Collider. As origens de ambos permanecem envoltas em muitos mistérios, e é por isso que o HAWC monitora constantemente uma grande parte do céu na esperança de desvendar alguns.
Quando uma partícula de energia ultra-alta entra na atmosfera da Terra e colide com uma molécula de ar, a reação resultante produz novas partículas subatômicas. Cada uma delas contém uma tremenda energia e, assim, continuam esmagando, reagindo e produzindo mais partículas em uma avalanche cada vez maior, que acaba se espalhando em um círculo de aproximadamente 100 metros de diâmetro quando chega ao solo. Esse banho de partículas passa pelos tanques do telescópio viajando mais rápido que a velocidade da luz na água (que é cerca de três quartos de sua velocidade no vácuo), criando o equivalente óptico de um estrondo sônico - uma explosão de luz ultravioleta conhecida como radiação Cherenkov. Ao caracterizar exatamente como e quando as partículas encontram o conjunto de tanques de água purificada, os pesquisadores podem determinar em que parte do céu a fonte está localizada.
Aproximadamente 20.000 desses chuveiros são registrados a cada segundo no HAWC, mas quase todos são raios cósmicos, e não gama. Como os raios cósmicos são carregados, sua rota de voo através do universo é alterada por campos magnéticos, ou seja, seus pontos de origem não podem ser determinados. Os raios gama são muito mais raros - o HAWC vê cerca de mil deles por dia -, mas eles apontam em linha reta para suas fontes. Os telescópios de raios gama anteriores geralmente precisavam ser direcionados a pontos específicos no céu, muitas vezes apenas depois que os pesquisadores foram alertados sobre alguns fenômenos de alta energia ocorrendo lá. Porque HAWC olha para o universo todo o tempo, tem uma chance melhor de pegar esses raros flashes.
Concluído em março de 2015, o observatório divulgou recentemente seu primeiro ano de dados - um mapa do céu revelando cerca de 40 fontes super-brilhantes, muitas de dentro da nossa galáxia Via Láctea. “Estas não são estrelas comuns”, disse a física Brenda Dingus, do Laboratório Nacional de Los Alamos, porta-voz do HAWC.
A maioria são remanescentes de supernova, o rescaldo da poderosa explosão que ocorre durante a morte de uma estrela gigante. À medida que as ondas de choque dessas explosões se expandem para fora, elas se chocam com o gás circundante e a poeira em alta velocidade, gerando radiação gama - um processo que pode continuar por milhares de anos. A equipe do HAWC espera descobrir remanescentes de supernovas em vários estágios de evolução e combinar seus dados com dados de outros telescópios que trabalham em diferentes comprimentos de onda para descobrir os detalhes desse processo complexo. Como os remanescentes de supernovas têm poderosos campos magnéticos, eles prendem e aceleram partículas carregadas, criando raios cósmicos. Acredita-se que a maioria dos raios cósmicos que vemos originam-se em tais lugares, mas eles também podem ser produzidos por pulsares - estrelas de nêutrons super-densas girando rapidamente emitindo um raio de radiação - e buracos negros orbitando um ao outro. O HAWC ajudará os pesquisadores a determinar a potência total de saída de todos esses diferentes aceleradores de partículas cósmicas.
Os dados do HAWC também contêm vários objetos brilhantes que estão fora da galáxia. Por estarem tão distantes, essas fontes devem estar brilhando como holofotes no universo. Alguns são núcleos galácticos ativos, galáxias jovens cujo buraco negro supermassivo central está se deleitando com um enorme excesso de gás e poeira. Conforme a matéria gira em torno do buraco negro, ele se aquece, liberando jatos colossais de radiação. O HAWC viu essas estruturas se intensificarem periodicamente, mas exatamente por que isso ocorre permanece desconhecido.
O observatório também espera detectar explosões de raios gama, os fenômenos mais energéticos do universo conhecido. Pensado para ocorrer quando uma estrela supermassiva entra em colapso em um buraco negro, essas explosões liberam a mesma quantidade de energia em poucos segundos, como o nosso sol ao longo de toda a sua vida. Por serem tão transitórios, tem sido difícil para os cientistas estudá-los, mas espera-se que o HAWC - que está constantemente observando o céu - veja pelo menos um par por ano.
Depois, há a coisa verdadeiramente revolucionária que o HAWC poderia observar. "A matéria escura seria a coisa mais legal de se encontrar", disse Dingus.
Enquanto os cientistas podem ver os efeitos gravitacionais desse estranho material no universo, a matéria escura não produz radiação eletromagnética e, portanto, não aparece nos telescópios comuns. Mas alguns teóricos especulam que partículas de matéria escura poderiam colidir umas com as outras e aniquilar, um processo que deveria gerar raios gama. Em lugares como galáxias anãs esferoidais, que são feitas quase inteiramente de matéria escura, essa aniquilação deve estar ocorrendo constantemente. Até agora, ninguém viu radiação gama significativa proveniente dessas pequenas galáxias, mas novas estão sendo descobertas o tempo todo, levantando a possibilidade de finalmente abrir um dos maiores mistérios da astronomia.
Quanto mais tempo o HAWC olhar para o universo, mais profundas e detalhadas serão suas observações. A execução inicial do observatório está programada para terminar em 2020. "Mas se virmos algo legal, talvez a gente corra por mais tempo", disse Dingus.
