Investigação de fenômenos de alta energia e plasma astrofísico: teoria, simulações numéricas, observações e desenvolvimento de instrumentos para o Cherenkov Telescope Array (CTA)

 
A maior parte da matéria visível no universo está em um estado de plasma, ou, mais especificamente, é composta de gás parcial ou totalmente ionizado permeado por campos magnéticos. Graças aos recentes avanços na teoria e na detecção de campos magnéticos cósmicos, tem havido um crescente interesse mundial no estudo de seu papel na formação de fontes astrofísicas e na estruturação do Universo. O grupo de Plasma e Astrofísica de Altas Energias (GAPAE) de E. M. de Gouveia Dal Pino, do Instituto de Astronomia, Geologia e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP), e os grupos de A. B. M. Valio do Centro de Radioastronomia e Astrofísica da Universidade Mackenzie (CRAAM) e de Diego Falceta Gonçalves da EACH-USP, vem desenvolvendo há mais de uma década diversos projetos correlacionados usando uma descrição magneto-hidrodinâmica (MHD) teórica e numérica de fluidos, bem como ferramentas observacionais, para investigar plasmas e fenômenos astrofísicos de alta energia. Nesse contexto, especial ênfase tem sido dada aos estudos de: 1) Jatos astrofísicos e discos de acreção/coroas ao redor de estrelas e buracos negros visando a investigação de fenômenos de alta energia e processos magnéticos associados a diferentes classes de fontes tais como, buracos negros
galácticos (ou microquasares), núcleos ativos de galáxias (AGNs), surtos de raios gama (GRBs), supernovas (SNs) e objetos estelares jovens (YSOs); 2) origem, propagação e aceleração de raios cósmicos; 3) ventos estelares e galácticos e seu feedback em gás/energia/campo magnético sobre o ambiente cósmico; 4) efeitos da turbulência MHD e de choques de supernovas sobre a formação de estrelas e o transporte de fluxo magnético; 5) atividade magnética solar e estelar com enfoque no problema do dínamo solar, explosões solares, caracterização de manchas estelares, rotação e rotação diferencial; 6) planetas extra-solares e sua interação com as estrelas hospedeiras, bem como pequenos corpos extra-solares e anãs companheiras estelares; 7) determinação das propriedades do campo magnético do universo local a partir do mapa de polarização da radiação cósmica de fundo em microondas (RCFM) observada pelo satélite PLANCK; e 8) a origem e evolução dos campos magnéticos cósmicos no meio intra-aglomerado turbulento (ICM) e intergaláctico (IGM) acolisonal, empregando uma descrição cinética-MHD (KMHD). A maioria destes estudos foram realizados com a ajuda de modelagem numérica 3D MHD, empregando códigos e técnicas numéricas sofisticados, e com foco no desenvolvimento de processos de fundamentais de altas energias e de plasmas fundamentais, tais como, turbulência, reconexão magnética, ação de dínamo, ondas de choque, instabilidades cinéticas e MHD, e aceleração estocástica, os quais resultaram contribuições significativas para a area.
Nos últimos anos, nosso grupo vem tambem participando do Projeto Cherenkov Telescope Array (CTA).
A Astronomia do século 21 mais do que nunca avança para ser uma ciência abrangente com a construção de novas gerações de telescópios e instrumentos que cobrem todo o espectro da radiação cósmica: do rádio ao raio-gama. O CTA é uma colaboração internacional com a participação do Brasil e mais 32 países, que visa à construção do maior observatório de Raios Gama até 2022. Este permitirá atingir-se um conhecimento do Universo não-térmico nas altas energias jamais alcançado e contribuições significativas para a Cosmologia, Astrofísica, e Física de Astro-Partículas, numa intensa sinergia entre essas áreas. O CTA investigará as condições físicas dos aceleradores de raios cósmicos tais quais buracos negros, pulsares, supernovas e surtos de raios gama; a composição e origem da matéria escura, os campos magnéticos cósmicos, e a violação da constância da velocidade da luz. Obterá uma melhora em sensibilidade de um fator 5-10 vezes maior que os observatórios atuais entre 100 GeV a 10 TeV e atingirá uma extensão em energias bem abaixo dos 100 GeV e acima de 100 TeV! O CTA será composto de dois arrays, um no Hemisfério Norte (Ilhas Canárias) e o outro no Sul (ESO-Chile), com cerca de 100 telescópios de três tamanhos diferentes para uma cobertura completa do céu e operará como observatório aberto (https://www.cta-observatory.org/).
Atraves do Projeto Tematico “Investigation of High Energy and Plasma Astrophysics Phenomena: Theory, Numerical Simulations, Observations, and Instrument Development for the Cherenkov Telescope Array (CTA)” (2013/10559-5) apoiado pela FAPESP, o GAPAE do IAG-USP (numa parceria com a Itália e África do Sul) está financiando mais de US$ 4 milhões ao longo de 4 anos, para a construção do ASTRI MINI-ARRAY - o PRECUSSOR do CTA (http://www.iag.usp.br/astri/en).
O ASTRI possuirá 9 telescópios Cherenkov do tipo dual- mirrors de 4,3m de diâmetro, e será instalado no sítio Sul do CTA (ESO-Chile) a partir de 2017. Terá uma sensibilidade superior à do H.E.S.S. (atualmente o maior observatório de raios-gama) e atingirá energias jamais alcançadas, superiores a 100 TeV, desvendando os limites dos aceleradores cósmicos. Engenheiros brasileiros estao atuando na modificação e nos testes de avaliação do telescopio protótipo, garantindo assim a aquisição de know-how para a construção no Brasil futuramente de componentes para outros telescópios para o CTA com ampla participação de nossa Indústria.
Tambem atraves deste Projeto Tematico, o GAPAE obteve financiamento da FAPESP para a atualização de seus recursos computacionais com a aquisicao de um novo cluster, tornando possível a continuação dos extensos estudos numéricos que realiza.
O CTA e o ASTRI MINI-ARRAY estão entre os maiores projetos da Astronomia Brasileira atual e do Astronomy Network do Estado de São Paulo (SPAnet). Colocarão a Astronomia do IAG-USP, de São Paulo e do Brasil num novo patamar, com a cobertura pela primeira vez de todo o espectro da radiação do Universo, e possibilitando uma infraestrutura e oportunidade únicas para as novas gerações de Astrônomos no Brasil.
 
Coordenadora: Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino
Instituição: IAG-USP
Data de início: 01/08/2014