Uma nova pesquisa explora a possibilidade de a matéria escura consistir em partículas teóricas chamadas áxions, concentrando-se na detecção delas através da luz extra emitida pelos pulsares. As observações preliminares ainda não confirmaram os áxions, mas a pesquisa é crucial para a compreensão da matéria escura.

A questão central na busca atual pela matéria escura é: De que é feita a matéria escura? Uma resposta possível é que a matéria escura consiste em partículas chamadas áxions. Uma investigação recente realizada por astrofísicos da Universidade de Amesterdão e da Universidade de Princeton propõe que, se a matéria escura for de facto constituída por áxions, poderá manifestar-se sob a forma de um tênue brilho extra proveniente de estrelas pulsantes.

A matéria escura pode ser o ingrediente mais quente do nosso universo. Surpreendentemente, pensa-se que esta forma misteriosa de matéria, que os físicos e astrónomos até agora não conseguiram detectar, constitui uma grande parte da matéria do Universo. Suspeita-se que nada menos que 85% da matéria do Universo seja “matéria escura”, que atualmente só pode ser detectada através da atração gravitacional que exerce sobre outros objetos astronômicos. Os cientistas, compreensivelmente, querem mais. Eles querem realmente ver a matéria escura – ou pelo menos detectar a sua presença diretamente, em vez de apenas inferi-la a partir de efeitos gravitacionais. Claro, eles também querem saber o que é a matéria escura.

Resolva dois problemas

Uma coisa é certa: a matéria escura não pode ser a mesma matéria de que você e eu somos feitos. Se fosse esse o caso, a matéria escura se comportaria como a matéria comum – formaria objetos como estrelas, brilharia e não seria mais “escura”. Assim, os cientistas estão à procura de algo novo – uma partícula ainda por ser detetada que provavelmente interage apenas muito fracamente com os tipos de partículas que conhecemos, o que explica porque é que este componente do nosso mundo permaneceu indescritível até agora.

Temos muitas pistas para procurar. Uma hipótese popular é que a matéria escura pode ser composta de áxions. Este tipo hipotético de partícula apareceu pela primeira vez na década de 1970 para resolver um problema não relacionado à matéria escura. Como um dos blocos de construção dos átomos comuns, a separação das cargas positivas e negativas dentro do nêutron é surpreendentemente pequena. Os cientistas certamente querem saber por quê. Acontece que uma partícula até então desconhecida interage muito fracamente com um componente do nêutron para produzir exatamente esse efeito. Mais tarde, o vencedor do Prêmio Nobel, Frank Wilczek, deu um nome à nova partícula: o áxion - não apenas semelhante em nome a outras partículas, como prótons, nêutrons, elétrons e fótons, mas também inspirado em um sabão em pó com o mesmo nome. Axions surgiu para resolver um problema.

Na verdade, embora nunca tenha sido detectado, pode resolver dois problemas. Várias teorias fundamentais de partículas, incluindo a teoria das cordas (uma das principais candidatas a unificar todas as forças da natureza), parecem prever a possível existência de partículas semelhantes a áxions. Se os áxions existirem, eles também poderiam constituir parte ou mesmo toda a matéria escura que falta? Talvez sim, mas outra questão que atormenta todas as pesquisas sobre a matéria escura aplica-se igualmente aos áxions: se sim, como podemos vê-los? Como tornar visíveis as coisas "escuras"?

Iluminando a matéria escura

Felizmente para os axions, parece haver uma maneira de contornar esse enigma. Se as teorias que prevêem os áxions estiverem corretas, então não só se espera que eles sejam produzidos em grande número no universo, mas alguns áxions também possam ser convertidos em luz sob a influência de fortes campos eletromagnéticos. Quando houver luz, podemos ver. Poderia esta ser a chave para detectar áxions – e, portanto, matéria escura?

Para responder a esta questão, os cientistas têm primeiro de se perguntar: onde ocorrem os campos eléctricos e magnéticos mais fortes conhecidos no Universo? A resposta: na região em torno de uma estrela de nêutrons em rotação, também conhecida como pulsar. Esses pulsares - abreviação de "pulsar" - são objetos compactos com aproximadamente a mesma massa do Sol, mas com um raio cerca de 100 mil vezes menor, apenas cerca de 10 quilômetros. Os pulsares são muito pequenos, mas giram em frequências extremamente altas, emitindo feixes de rádio estreitos e brilhantes ao longo de seu eixo de rotação. O feixe do pulsar atua como um farol e pode percorrer toda a Terra, facilitando a observação do pulsar.

No entanto, há mais no enorme giro do pulsar. Transforma a estrela de nêutrons em um eletroímã extremamente poderoso. Isto, por sua vez, pode significar que os pulsares são fábricas de áxions muito eficientes. Um pulsar comum pode produzir 50 dígitos de áxions por segundo. Devido aos fortes campos eletromagnéticos que rodeiam o pulsar, alguns destes áxions podem ser convertidos em luz observável. Isto é: se existissem áxions - mas agora esse mecanismo pode ser usado para responder a essa pergunta. Basta olhar para os pulsares para ver se eles emitem luz extra e, em caso afirmativo, determinar se essa luz extra pode vir de áxions.

Simule um brilho sutil

No campo científico, certamente não é tão simples fazer tal observação. A luz emitida pelos áxions pode ser detectada como ondas de rádio – apenas uma pequena fração da luz total que esses faróis cósmicos brilhantes emitem para nós. Precisaríamos saber com muita precisão como é um pulsar sem áxions e um pulsar com áxions para podermos ver a diferença - e muito menos quantificar a diferença e traduzi-la em uma medida da quantidade de matéria escura.

Foi exatamente isso que uma equipe de físicos e astrônomos fez agora. Trabalhando em conjunto nos Países Baixos, em Portugal e nos Estados Unidos, a equipa de investigação construiu um quadro teórico abrangente que fornece uma compreensão detalhada de como os axiões são criados, como escapam à gravidade de uma estrela de neutrões e como são convertidos em radiação rádio de baixa energia durante o processo de fuga.

Estes resultados teóricos foram então colocados num computador para simular a produção de áxions em torno de pulsares usando simulações numéricas de plasma de última geração, que foram originalmente desenvolvidas para compreender a física por trás de como os pulsares emitem ondas de rádio. Uma vez gerado virtualmente, a propagação dos áxions no campo eletromagnético da estrela de nêutrons é simulada. Isto permitiu aos investigadores compreender quantitativamente a produção subsequente de ondas de rádio e modelar como este processo fornece sinais de rádio adicionais além das emissões inerentes produzidas pelo próprio pulsar.

Teste o modelo axial

Os resultados da teoria e das simulações foram então submetidos ao primeiro teste observacional. Usando observações de 27 pulsares próximos, os investigadores compararam as ondas de rádio observadas com modelos para determinar se qualquer excesso medido poderia fornecer evidência da presença de áxions. Infelizmente, a resposta é “não” – ou, de forma mais otimista, “ainda não”. Axions não apareceram imediatamente para nós, mas talvez não fosse isso que esperávamos. Se a matéria escura revelasse os seus segredos tão facilmente, já teria sido observada há muito tempo.

Portanto, agora só podemos esperar encontrar áxions em observações futuras. Ao mesmo tempo, o fato de nenhum sinal de rádio dos áxions ter sido observado até agora é um resultado interessante por si só. A primeira comparação entre pulsares simulados e reais estabelece os limites mais rígidos até agora na interação dos áxions com a luz.

É claro que o nosso objectivo final não é apenas estabelecer limites, mas provar que os áxions existem, ou garantir que os áxions não podem de todo ser um componente da matéria escura. Os novos resultados são apenas um primeiro passo nessa direção; eles são apenas o começo de um novo campo altamente interdisciplinar que tem potencial para avançar significativamente o estudo dos áxions.

Referências "Dion Noordhuis, Anirudh Prabhu, Samuel J. Witte, Alexander Y.C hen), Fábio Cruz e Christoph Weniger, "Novas restrições sobre axions produzidos em cascatas de calotas polares de pulsares", 15 de setembro de 2023, "Physical Review Letters".

DOI:10.1103/PhysRevLett.131.111004

Fonte compilada: ScitechDaily