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A AMS e os Raios Cósmicos

O objectivo da experiência Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) é a detecçãode raios cósmicos com altíssima precisão. A experiência AMS é uma colaboração internacional que envolve países da Europa (entre eles Portugal), da Ásia e os Estados Unidos. Para detectar os raios cósmicos, a AMS faz uso de vários tipos de detectores que, trabalhando em conjunto, são capazes de medir as diversas propriedades dos raios cósmicos que, vindos do espaço, bombardeiam constantemente a atmosfera terrestre. À medida que penetram na atmosfera, os raios cósmicos são absorvidos de modo que praticamente nenhum deles, originalmente vindo do espaço, consegue chegar ao nível do mar. Devido a isso, os detectores que medem as propriedades dos raios cósmicos devem ser instalados acima da atmosfera ou em balões que voam a grandes altitudes (onde a absorçãoé significativamente menor). Um dos problemas com os balões é o facto de voarem durante um tempo muito limitado, em geral dias, o que diminui muito a quantidade de dados que pode ser obtida. Estes detectores são também instalados em satélites que orbitam a Terra ou em sondas espaciais que viajam pelo sistema solar.

Fig. 1 A AMS a bordo do vaivém em órbita da Terra na altura do voo teste em Junho de 1998.

No caso da experiência AMS, o peso do conjunto utilizado fez com que a solução mais viável fosse a de instalá-lo na EstaçãoEspacial Internacional. O peso do detector é de cerca de duas toneladas e o consumo de energia é da ordem dos 2000 Watts, já que a precisão e a quantidade de dados que se deseja obter fez com que fosse necessário fazer uso de um poderoso iman. Este iman é capaz de gerar um campo magnético cem mil vezes mais forte que o campo magnético da Terra. Tecnicamente, o conjunto formado pelo iman acrescido dos detectores é chamado espectrómetro magnético. Será a primeira vez que um espectrómetro magnético será colocado no espaço, dado que até aqui apenas tinham sido instalados em balões.

Em Junho de 1998, a AMS foi levada a bordo do vaivém Discovery para um voo teste de 10 dias em órbita da Terra. Já neste voo teste de curta duração, a AMS pôde produzir interessantes resultados científicos! Em 4 de Outubro de 2003, a AMS deverá ser levada pelo vaivém para a Estação Espacial Internacional devendo adquirir dados até 2006.

Fig. 2 Concepçãoartística da EstaçãoEspacial Internacional com a AMS instalada e o vaivém acoplado.

A AMS foi projectada para estudar e esclarecer as várias questões que intrigam os cientistas nos campos da Cosmologia e da Astrofísica como:

origem e estrutura da matéria escura. As observações indicam que aproximadamente 90% da massa do Universo não é detectada, a não ser pelos efeitos gravitacionais que produz. Tomemos o Sol como exemplo: ao mesmo tempo que podemos vê-lo devido ao seu brilho, também sentimos os seus efeitos gravitacionais na medida em que a Terra está "presa" numa órbita em torno dele. No caso da matéria escura, nada brilha mas os efeitos gravitacionais estão presentes.
presençaou não de anti-matéria no Universo. A anti-matéria é constituída de partículas que têm a mesma massa mas carga elétrica e propriedades magnéticas opostas às partículas da matéria comum.
origem e composiçãodos raios cósmicos. A equipa portuguesa da AMS está particularmente envolvida na investigação deste campo, tanto experimentalmente na construção do detector que medirá a massa dos raios cósmicos com altíssima precisão, como teoricamente, na análise e interpretação dos resultados. No que se segue desenvolveremos um pouco mais este tópico.

Quando olhamos para o céu numa noite sem nuvens podemos ver inúmeros objectos luminosos que são, na sua grande maioria, estrelas que pertencem à nossa galáxia, a Via Láctea. As galáxias são basicamente constituídas por gás, poeira e por milhares de milhões de estrelas. Além da nossa galáxia existem muitas outras no Universo. Podemos ver as estrelas e galáxias da Terra devido à luz emitida por elas que viaja, quase que em linha recta, até nós. É isso que nos permite distinguir as estrelas como objectos individuais. Agora, imaginemos que um intenso nevoeiro tomasse conta da nossa Galáxia. A luz das estrelas continuaria a chegar à Terra, só que agora não seríamos capazes de distinguir as estrelas individualmente. Veríamos uma luminosidade uniforme mas não poderíamos identificar as fontes. Isto acontece mesmo com o Sol, num dia muito nublado quando vemos o céu todo iluminado mas não podemos dizer em que posição o Sol está!

Os raios cósmicos, como a luz, são uma forma de radiação. São, na sua maioria, núcleos de átomos (isto é, o átomo sem os eletrões) dos elementos químicos que encontramos à nossa volta na Terra, e electrões. Os núcleos de átomos são compostos por protões (com carga positiva) e neutrões (sem carga), sendo portanto partículas carregadas positivamente. Os electrões são partículas fundamentais e têm carga negativa. Os raios cósmicos viajam pelo espaço a velocidades muito altas. Para se ter uma ideia, a AMS detectará raios cósmicos que viajam a velocidades entre 85% até 99.9% da velocidade da luz, isto é, entre 255000 e 299900 kilómetros por segundo!

Sabemos que os elementos químicos que observamos na Terra, no Sistema Solar e de que temos informação existirem no Universo são quase todos (a não ser o hidrogénio e alguns outros elementos leves) sintetizados pelas estrelas. Como as estrelas em geral não são capazes de acelerar partículas até velocidades muito altas, os raios cósmicos devem ser acelerados noutros locais, que ainda não puderam ser identificados com certeza. Aplicando a hipótese do nevoeiro, mencionada anteriormente, que nos impediria de identificar as estrelas individualmente, ao caso dos raios cósmicos, o papel do nevoeiro seria desempenhado pelo campo magnético da Galáxia. O campo magnético faz com que partículas carregadas, como os raios cósmicos, sejam desviadas das suas trajectórias originais em "linha recta", tornando a identificação das fontes impossível. Isto faz com que o entendimento dos processos de aceleração e propagação dos raios cósmicos se torne muito mais difícil. Os cientistas têm elaborado modelos teóricos que procuram explicar todo o processo, desde a produção dos raios cósmicos até à sua observação na Terra. No entanto, os dados obtidos até agora não são ainda suficientes para que um destes modelos teóricos possa ser escolhido como aquele que melhor representa a realidade do processo.

Algumas peças deste quebra-cabeças vão sendo, no entanto, colocadas: uma importante constatação foi a de que alguns elementos químicos como o boro e o berílio, presentes nos raios cósmicos, são frágeis demais para serem produzidos nas estrelas: a mais fria das estrelas já é muito quente para que estes elementos sejam produzidos. Foi sugerido que estes elementos são produzidos pela "quebra" de elementos mais pesados (produzidos nas estrelas) quando estes colidem com o gás que existe na Galáxia. Os dados existentes parecem apontar para a validade desta teoria. Mas muitas outras perguntas ainda se encontram sem resposta: quanto tempo os raios cósmicos viajam pela Galáxia desde a sua fonte até nós? Qual a quantidade de gás interestelar que atravessam? Como é que as fontes de raios cósmicos estão distribuídas pela Galáxia? E muitas outras.

Neste contexto, o papel da AMS é muito importante. A quantidade e a alta qualidade dos dados a serem obtidos pela AMS dentro de alguns anos fará com que muitas das questões que nos intrigam hoje encontrem uma resposta. Para mais informações sobre o assunto, visite o endereço da AMS na internet em: AMS.

Doutor Ubi Wichoski
CENTRA - Instituto Superior Técnico