cos no meio intergaláctico
3.1.1 Radiações Cósmicas
Nesta seção, abordaremos as radiações cósmicas. A radiação de fundo extragaláctica, conhecida como Extragalactic Background Light (EBL) engloba as radiações cósmicas em ultravioleta, óptico e infravermelho. A EBL é uma medida da soma de toda a energia liberada predominantemente pela formação de estrelas que ocorreu desde o desacoplamento da matéria e radiação no início da formação do universo. Por sua vez, a radiação em micro-ondas conserva informações da estrutura do universo após o Big-Bang. (73) As contribuições das radiações eletromagnéticas no universo estão esquematizadas na figura 3.1.
3.1.1.1 Radiação Cósmica de Micro-ondas (RCM)
A radiação cósmica de fundo em micro-ondas é um tipo de radiação eletromagnética que preenche o Universo, sendo uma importante fonte de informação sobre o Universo primordial. Nos estágios iniciais do Universo, radiação e plasma quente eram dominantes, preenchendo o cosmo com uma névoa uniforme, que tornava-se opaca em altos redshifts. Sucessivamente, o Universo tornou-se mais frio pela expansão, e quando esfriou o suficiente, os átomos estáveis começaram-se a se formar. Esses átomos não eram mais capazes de absorver os fótons térmicos
3.1 Interações e Perdas de Energia dos Raios Cósmicos no meio intergaláctico 67 Figura 3.1– Ilustração das principais radiações cósmicas do Universo e a aproximação de sua lumi- nosidade em nW m2sr−1, descritas nas caixas. Da direita para esquerda: A Radiação
Cósmica em Micro-ondas (RCM) - Cosmic Microwave Background (CMB). A Radia- ção Cósmica Infravermelha (RCI) - Cosmic Infrared Background (CIB) e a Radiação Cósmica no Óptico- Cosmic Optical Background (COB).
Fonte: Adaptada de DOLE (74).
e consequentemente o Universo tornou-se transparente. Os fótons da RCM produzidos neste estágio foram propagando-se por todo o Universo com sua energia diminuindo com a expansão do mesmo.
A RCM foi prevista independentemente por Gamow em 1948 (75) e por Alpher e Herman em 1948 (76) e foi observada pela primeira vez por Penzias e Wilson (77) em 1965. A radiação cósmica em micro-ondas é altamente isotrópica e descrita por um espectro de corpo negro com temperatura de 2.725 ± 0.002 K. (77) Este espectro consiste de uma densidade de fótons distribuída de acordo com a função de Planck:
n(ǫ) = 1
(~c)3π2
ǫ2
(eǫ/kT − 1). (3.1)
onde k ⋍ 8.6 × 10−5 eV.K−1 é a constante de Boltzmann, h ⋍ 6.6 × 10−16eV.s é a constante
de Planck e c = 2.99792458 × 108 m.s−1 é a velocidade da luz no vácuo. A figura 3.2 mostra
Figura 3.2 – Esquerda: Mapa do céu da radiação cósmica de micro-ondas medida pelo satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Direita: Radiação de Fundo de micro-ondas observada pelo Observatório Espacial COBE. A curva representa um corpo negro de 2,74 K e os pontos pretos são os dados experimentais.
Fonte: Adaptada de NASA (78).
3.1.1.2 Radiação Cósmica Infravermelha (RCI)
A radiação cósmica infravermelha tem origem extragaláctica e é isotrópica em grandes escalas, (79) isso porque a RCI é descrita por um espectro formado a partir da evolução e luminosidade de fontes, juntamente com poeira e processos de formação cosmológica de estrelas e galáxias. (80) Como a formação da radiação cósmica infravermelha está diretamente ligada à formação de estrelas do Universo, limites dessa radiação podem ser usados para fornecer vínculos na história da formação e evolução das galáxias. (9) Incertezas nas medidas de radiação do infravermelho existem devido à contaminação por outras fontes de energia e também poeira existente juntamente com a radiação detectada. Na figura 3.3, mostramos três mapas do céu da radiação RCI, para três diferentes valores de comprimento de onda: 100, 140 e 240 µm, medidos pelo satélite DIRBE.
Existem modelos cosmológicos construídos a partir das medidas realizadas pelos experi- mentos. Estes experimentos medem a radiação infravermelha com limites superiores e inferiores nos valores da RCI. (9) As principais medidas diretas da RCI foram realizadas pelos seguintes satélites: o COsmic Background Explorer (COBE) e o InfraRed Telescope in Space (IRTS). O satélite COBE levou consigo 3 instrumentos para investigar a radiação do Universo desde o infravermelho até micro-ondas. O instrumento DIRBE (Diffuse InfraRed Experiment) foi o responsável pela medida no infravermelho, com comprimentos de onda medidos que iam de 1.25 a 240 µm. O FIRAS (Far Infrared Spectrometer), espectrômetro de infravermelho, foi
3.1 Interações e Perdas de Energia dos Raios Cósmicos no meio intergaláctico 69 Figura 3.3– Mapa do céu da radiação RCI. Medidas feitas pelo DIRBE nos comprimentos de onda
100 - 240 µm.
Fonte: Adaptada de NASA (78).
o instrumento levado pelo COBE que tinha como missão medir o espectro de frequência da radiação cósmica de fundo.
Medidas da radiação cósmica infravermelha juntamente ao visível e ultravioleta também foram realizadas com os seguintes telescópios e instrumentos: o telescópio espacial no infra- vermelho da Agência Espacial Europeia (ESA) denominado Infrared Space Observatory (ISO), operacional desde 1995 e carregou consigo dois instrumentos para medidas da RCI. (81) O telescópio Hubble Space Telescope’s (HST); o telescópio japonês AKARI; o telescópio GALEX (Galaxy Evolution Explorer) da NASA, especializado na captura da radiação ultravioleta; o telescópio Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS); o IRAC (Spitzer Space Telescope Câmera Infrared) e o Multiband Imaging Photometer for Spitzer (MIPS) que consiste de um fotômetro que fornece imagens e limitada análise espectrográfica para comprimentos de ondas distantes da faixa infravermelha, entre outros instrumentos de medida.
Todos os resultados obtidos de cada medida feita pelos instrumentos citados e outros foram por nós compilados na figura 3.4. Devido às incertezas nas medidas já discutidas acima, as medidas da radiação cósmica infravermelha não são exatas e consequentemente não possuí-
mos uma boa descrição da forma desta radiação. O que existe hoje na literatura são modelos cosmológicos que buscam descrevê-la baseados na evolução e formação do universo, sendo consistentes com os dados medidos pelos diversos experimentos. Na figura 3.5, apresenta- mos alguns modelos cosmológicos de radiação cósmica infravermelha. Veja que existe uma grande diferença entre os vários modelos propostos, que em geral é desprezada em estudos de propagação de raios cósmicos.
3.1.1.3 Parametrizações das Radiações Cósmicas utilizadas neste trabalho
Na figura 3.6, apresentamos as parametrizações dos modelos cosmológicos que utilizare- mos neste trabalho, juntamente com a radiação cósmica em micro-ondas. Destacamos que o modelo de Dominguez et al. (9) de 2011 é um dos mais atuais na literatura e possui como diferencial limites superiores e inferiores para as medidas da radiação cósmica infravermelha.
O modelo de Dominguez et al. é conhecido como um modelo semi-analítico baseado na formação estrutural do modelo cosmológico ΛCDM. (105) O modelo também baseia-se no WMAP5, (106) tratando da emissão de poeira utilizando modelos empíricos. Dominguez et al. prediz uma variação nos parâmetros cosmológicos adotados em seu modelo, também como a região óptica, que devido a produção de elétron/pósitron é afetada pelo redshift e pela energia dos raios gama e, por fim, como se dão os efeitos da absorção de raios gama no espectro de uma variedade de fontes extragalácticas.
A figura 3.6, mostra toda a radiação cósmica com a qual os raios cósmicos interagem: a radiação cósmica de micro-ondas descrita pela função de Planck e a radiação cósmica infravermelha representada pelos dois modelos que adotamos neste trabalho. Observamos por esta figura que a densidade de energia da radiação cósmica infravermelha é bem menor comparada à densidade de energia da radiação em micro-ondas.