CTA: A ciência da próxima geração

Artigo: Science with the Cherenkov Telescope Array

Autores: Consórcio do Cherenkov Telescope Array

Status: A ser publicado na revista International Journal of Modern Physics D, acesso aberto

Renderização do projeto de um dos telescópios do CTA. Crédito: G. Pérez, IAC, SMM

O artigo desta semana fala sobre os objetivos de longo prazo da nova geração de experimentos astronômicos em raios gama, o Cherenkov Telescope Array (CTA). Raios gama são importantes traçadores de raios cósmicos, partículas carregadas cujas origens e mecanismos de aceleração ainda são desconhecidos. Ao longo de impressionantes 211 páginas representando anos de trabalho, os autores explicam os objetivos científicos desse experimento, que vão melhorar substancialmente nosso conhecimento do universo assim que ele for ligado daqui uns anos.

Raio gama é a radiação no extremo mais energético do espectro. Esses raios são gerados através dos mesmos processos astrofísicos que geram raios cósmicos, mas, como raios gama não são carregados eletricamente, eles não seguem as linhas dos campos magnéticos em sua jornada até a Terra. Isso significa que raios gama sempre apontam para a direção de suas fontes. Raios gama astrofísicos com energias na ordem de teraelétron-volt (TeV), os quais o CTA irá estudar, foram detectados pela primeira vez no fim dos anos 1980. Desde então, muitos experimentos foram construídos nesse intervalo de energia, mas o CTA vai oferecer a melhor sensibilidade e o maior intervalo de todos os experimentos atuais e passados.

O CTA consistirá de dois arranjos de telescópios de diferentes tamanhos — um deles no hemisfério norte e outro no hemisfério sul — que irão detectar radiação Cherenkov que é produzida quando um raio gama interage com moléculas na atmosfera terrestre. O arranjo do hemisfério sul, localizado no deserto do Atacama no Chile, vai ter 99 telescópios de tamanho grande, médio e pequeno. Já o arranjo do hemisfério norte, nas Ilhas Canárias (Espanha), vai ter apenas 19 telescópios médios e pequenos. (Essa diferença se deve ao fato de que as regiões internas da nossa Galáxia, um dos principais alvos do experimento, está disponível apenas para o hemisfério sul.) Estes telescópios parecem bem diferentes dos telescópios óticos convencionais com os quais estamos normalmente acostumados.

Como o CTA vai conter mais telescópios que os arranjos atuais, isso por si só já é uma melhora imediata (veja Fig. 1). Por exemplo, a sensibilidade vai aumentar por uma ordem de magnitude em 1 TeV, a resolução angular vai aumentar (o que leva à habilidade de resolver fontes pequenas e mais detalhes para fontes extensas) e o alcance de energia será de 20 GeV a 300 TeV; para comparação, HAWC, um outro experimento em raios gama, está limitado a apenas 100 TeV como alcance energético máximo.

Figura 1. A sensibilidade diferencial do CTA comparada com outros experimentos em raios gama. As curvas mostram o fluxo de partículas necessário para uma detecção definitiva em função da energia do raio gama. Uma curva mais baixa significa mais sensibilidade a fontes fracas.

É importante lembrar que vários cientistas brasileiros fazem parte do consórcio. No entanto, diferente de outros experimentos em raios gama, o CTA vai ser um observatório aberto. Isso significa que qualquer cientista vai poder submeter pedidos de tempo de observação para estudar fontes de interesse. Além disso, todos os dados ficarão publicamente disponíveis depois de um ano passados após a coleta. Aproximadamente 40% do tempo de observação será reservado para um Programa Central de Projetos Científicos Chave que foram decididos em uma série de reuniões ao longo dos anos.

Os projetos de ciência-chave são bastante abrangentes em escopo: eles envolvem observações do centro Galático, varreduras do plano Galático (veja Fig. 2), estudos da Grande Nuvem de Magalhães, fontes e transientes extragaláticos, procura de raios cósmicos acelerados pelo centro Galático, e observações de aglomerados de galáxias e regiões de formação estelar são apenas alguns dos vários pontos de destaque. Adicionalmente, vai haver um programa para matéria escura e oportunidades de estudos em ciência não necessariamente em raios gama.

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Figura 2. Uma porção simulada do plano Galático, mostrando o que se espera que o CTA irá observar. Esta imagem cobre 20 graus em longitude Galática.

As questões que esses programas científicos irão responder cobrem três temas amplos de grande importância. O tema 1 é “Entendendo a origem e o papel de partículas cósmicas relativísticas.” É aqui que a colaboração vai tentar responder questões como os locais e mecanismos de aceleração de partículas e o papel que as mesmas têm na formação e evolução da Galáxia. O tema 2, “Sondando ambientes extremos,” está ligado a estudos de processos físicos que ocorrem próximos a estrelas de nêutrons e buracos negros, incluindo jatos, ventos e explosões que ocorrem nesses ambientes. O tema 3, “Explorando as fronteiras da física,” dedicar-se-á às questões fundamentais sobre a natureza da matéria escura, incluindo se partículas do tipo áxion existem e onde a gravidade quântica afeta como fótons se propagam no espaço.

O CTA ainda não está ligado e ainda vai levar alguns anos pra isso acontecer, mas a colaboração e a ideia têm existido por quase uma década. Os locais foram escolhidos recentemente e os últimos anos têm sido dedicados ao design dos telescópios. O projeto está atualmente na fase de pré-construção, com a construção em si começando no ano que vem, as primeiras observações sendo realizadas em 2021, e a construção finalizando em 2024. Quando ele for ligado, CTA irá certamente revolucionar nosso entendimento de astrofísica em raios gama.


Nota: Esta é uma tradução adaptada do post originalmente publicado por Kelly Malone no site Astrobites.

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