SAFT comprova que lentes compactas e IA potente detetam raios cósmicos de ultra-alta energia

Físicos da Rússia e da Arménia testaram com sucesso um detetor de pequena abertura, mostrando que lentes compactas e uma IA potente bastam para registar raios cósmicos de ultra-alta energia

Uma equipa de físicos experimentais do Instituto Skobeltsyn de Física Nuclear da Universidade Estatal de Moscou (SINP MSU) e do Instituto de Física de Erevã A.I. Alikhanyan obteve um avanço tecnológico na deteção de raios cósmicos de ultra-alta energia. Em testes realizados na estação de alta montanha Aragats, na Arménia, os cientistas confirmaram pela primeira vez que o telescópio compacto SAFT (Small-Aperture Fluorescence Telescope), com lentes de apenas 25 cm de diâmetro, consegue registar com eficiência extensos chuveiros atmosféricos de partículas secundárias. Esses chuveiros surgem quando uma partícula primária, extremamente energética, colide com núcleos dos gases da atmosfera terrestre. O resultado contraria a prática consolidada de construir sistemas com espelhos de vários metros, ao evidenciar que soluções miniaturizadas e mais económicas podem ser eficazes.

SAFT e a fluorescência ultravioleta do nitrogénio

O princípio de funcionamento do detetor baseia-se na medição do fraco brilho ultravioleta (fluorescência) emitido por moléculas de nitrogénio, excitadas quando o cascata de partículas do chuveiro atravessa a atmosfera. Observatórios terrestres tradicionais, como o norte-americano Telescope Array, recorrem a espelhos com área em torno de 10 m² para captar esse sinal. A equipa russo-arménia, liderada por Pavel Klimov, seguiu o caminho inverso: reduziu drasticamente as dimensões do sistema e equipou o instrumento com lentes de Fresnel leves, produzidas a partir de um polímero especial transparente ao UV.

Esse conceito abre espaço para detetores móveis, úteis tanto na calibração de complexos terrestres como em operações a bordo de estações orbitais.

IA e redes CNN para separar sinal e ruído

O grande obstáculo de uma pequena abertura é o nível reduzido de sinal útil, que pode literalmente desaparecer no meio do ruído instrumental. Para “ensinar” o telescópio a reconhecer os rastros das partículas, especialistas em análise de dados aplicaram técnicas de aprendizagem profunda. O uso de redes neurais convolucionais (CNN) tornou possível, com 100% de precisão, distinguir os clarões reais na atmosfera de interferências falsas provocadas pelo impacto direto de protões no fotodetetor do telescópio.

Como resultado, um pipeline automatizado de processamento identificou de forma confiável mais de 15 eventos com energias no intervalo de 10^17–10^18 eV, em total acordo com as expectativas teóricas.

Testes a 3200 m no Aragats e preparação para a missão ERA

O ensaio a 3200 metros acima do nível do mar representou um passo relevante na preparação de futuras missões espaciais, como o projeto ERA (Extreme Relativistic Astrophysics). A deteção bem-sucedida de partículas confirmou a viabilidade tanto da eletrónica quanto do esquema ótico, originalmente concebidos para satélites da série Lomonosov e para o detetor orbital UV-Atmosfera. Colocar instrumentos desse tipo no espaço permitirá monitorizar áreas gigantescas da atmosfera terrestre, transformando o planeta inteiro num detetor colossal para a busca das partículas mais energéticas do Universo.

Próximos passos: integração na observatória Taiga-100

Num horizonte próximo, os investigadores pretendem integrar telescópios pequenos como esse na observatória Taiga-100, em construção na Sibéria. Assim, será possível formar um sistema híbrido de monitorização, no qual módulos óticos compactos operam em conjunto com matrizes Cherenkov e cintiladoras.

O aperfeiçoamento de modelos de software e o uso de redes neurais para a reconstrução instantânea da energia das partículas primárias abrem uma nova etapa no estudo dos “aceleradores cósmicos” - buracos negros supermassivos e núcleos de galáxias distantes, considerados as fontes dessa radiação extrema.