Uma partícula hipotética que poderia constituir a matéria escura do universo poderia ser criada e residir em torno de estrelas de nêutrons, alguns dos objetos mais densos do universo, de acordo com uma equipe de físicos.
As partículas são áxions, um dos vários candidatos propostos para a chamada matéria escura, a substância enigmática que constitui mais de um quarto da matéria do universo. Uma equipe de pesquisadores das universidades de Amsterdã, Princeton e Oxford acredita agora que os áxions poderiam formar nuvens em torno de estrelas de nêutrons, que são os restos incrivelmente densos e colapsados de estrelas mortas. A descoberta abre um novo campo para os investigadores concentrarem a sua pesquisa astrofísica da matéria escura, ao mesmo tempo que destacam a utilidade potencial de um radiotelescópio no espaço.
Possíveis fábricas de matéria escura
A equipe suspeita que alguns áxions produzidos em estrelas de nêutrons poderiam se converter em fótons e escapar para o espaço. Mas muitas destas partículas permaneceriam presas pela gravidade da estrela, formando uma nuvem axiónica em torno da estrela de neutrões. A pesquisa do grupo que descreve a ideia foi publicada recentemente em Exame Físico X e dá continuidade ao trabalho anterior da equipe explorando áxions que poderiam escapar dos campos gravitacionais das estrelas de nêutrons que os produzem.
“Quando vemos algo, o que acontece é que as ondas eletromagnéticas (luz) refletem em um objeto e atingem nossos olhos. “A maneira como ‘vemos’ os áxions é um pouco diferente”, disse Anirudh Prabhu, pesquisador do Centro de Ciência Teórica de Princeton e coautor do artigo, em um e-mail ao Gizmodo. “Embora a luz possa ‘rebater’ nos áxions, esse processo é extremamente raro. A forma mais comum de detectar áxions é o efeito Primakoff, que permite que os áxions se convertam em luz (e vice-versa) na presença de um forte campo magnético.”
Algumas estrelas de nêutrons podem estar entre os objetos mais magnéticos do universo e, portanto, recebem um nome especial: magnetares. Este ambiente extremamente magnetizado é um terreno fértil para a conversão de áxions em luz, que poderia então ser detectada por telescópios espaciais, disse Prabhu.
Matéria escura e ondas axion no universo
Matéria escura é o termo coletivo para 27% da matéria no universo que os cientistas não podem observar diretamente porque não emite luz e só parece interagir com a matéria comum através de interações gravitacionais. Outros candidatos incluem partículas massivas de interação fraca (WIMPs), fótons escuros e buracos negros primordiais. Os áxions foram originalmente propostos como uma solução para um problema de física de partículas: fundamentalmente, algumas das propriedades previstas do nêutron não são observadas na natureza. Daí o nome Axions, que vem de uma marca de produtos de limpeza. Finalmente, o áxion foi proposto para resolver alguns dos enigmas desagradáveis que surgiram em torno do Modelo Padrão da física de partículas. No ano passado, outra equipa de investigadores examinou os anéis de Einstein – áreas do espaço onde a luz era fortemente curvada pela gravidade, formando um “anel” visível no espaço – e encontrou evidências de que os áxions são candidatos à matéria escura.
As ondas eletromagnéticas (isto é, luz) produzidas pela conversão de áxions podem ter comprimentos de onda de uma fração de polegada a mais de meia milha (um quilômetro) de comprimento, observou Prabhu. Mas a ionosfera da Terra bloqueia comprimentos de onda muito longos dos telescópios terrestres, por isso os observatórios espaciais podem ser a nossa melhor aposta para detectar evidências de áxions.
Estrelas de nêutrons e áxions têm uma história
“É amplamente aceito no campo da física dos áxions que se houver campos elétricos grandes e variáveis no tempo paralelos aos campos magnéticos, você terá condições ideais para produzir áxions”, disse Benjamin Safdi, físico de partículas da UC Berkeley que conduziu o estudo não foi vinculado ao jornal atual em um e-mail para o Gizmodo. “Em retrospecto, é óbvio e claro que se este processo ocorrer em pulsares, uma parte significativa dos áxions produzidos poderia ser ligada gravitacionalmente devido à forte gravidade da estrela de nêutrons.”
Em 2021, Safdi foi coautor de um artigo postulando que áxions poderiam ser produzidos nas Sete Magníficas, um grupo de estrelas de nêutrons em nossa própria galáxia. Os Sete Magníficos produzem raios X de alta frequência, e a equipe sugeriu que a conversão de áxions em fótons poderia produzir raios X como os observados por alguns telescópios. Mas muitos dos áxions produzidos nos núcleos destas estrelas de nêutrons ficam mais próximos da fonte, disse a equipe mais recente, formando uma grande população ao longo de centenas de milhões – se não bilhões – de anos.
“Esses axions se acumulam em escalas de tempo astrofísicas, formando uma densa ‘nuvem de axions’ ao redor da estrela”, escreveu a equipe no artigo. “Embora seja necessária uma compreensão mais profunda das incertezas sistemáticas nestes sistemas, as nossas estimativas atuais sugerem que os radiotelescópios existentes poderiam melhorar a sensibilidade ao acoplamento áxion-fóton em mais de uma ordem de magnitude.”
“No entanto, os cálculos apresentados neste trabalho apresentam muitas incertezas – isso não é culpa dos autores; É apenas um problema difícil e dinâmico”, acrescentou Safdi. “Eu também gostaria de ver um trabalho mais completo sobre as perspectivas de detecção deste sinal, incluindo uma melhor modelagem da população de estrelas de nêutrons e uma estimativa da sensibilidade com instrumentos existentes e futuros.”
Então, como podemos detectar e identificar a matéria escura?
Mas os telescópios espaciais mais modernos não são radiotelescópios. O Telescópio Espacial Webb, lançado em 2021, observa alguns dos feixes de luz mais antigos que podemos ver nos comprimentos de onda do infravermelho e do infravermelho próximo. O Telescópio Espacial Euclides da ESA, lançado no ano passado com o objectivo específico de melhorar a nossa compreensão da matéria escura do Universo, também vê o cosmos no infravermelho. Na verdade, uma das opções mais atraentes para um observatório baseado em rádio é o Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), que é exatamente o que parece: um radiotelescópio gigante que transformaria uma cratera lunar em um prato no lado escuro. da lua.
“Os áxions representam uma das nossas melhores oportunidades para a nova física”, disse Safdi, embora sejam “notoriamente difíceis de estudar devido às suas fracas interações com a matéria comum”.
“Essas interações fracas podem ser potencializadas em ambientes astrofísicos extremos, como aqueles encontrados na magnetosfera das estrelas de nêutrons”, acrescentou. “Trabalho como este poderia facilmente abrir caminho para a descoberta.”
Existem muitos radiotelescópios que fazem um trabalho fantástico na Terra – o MeerKAT, o Very Large Telescope e o ALMA, para citar alguns – mas parece que poderemos precisar de uma nova missão espacial se quisermos ter a oportunidade de ver ondas axiónicas. Sem pressão, cofres da NASA!
Uma partícula hipotética que poderia constituir a matéria escura do universo poderia ser criada e residir em torno de estrelas de nêutrons, alguns dos objetos mais densos do universo, de acordo com uma equipe de físicos.
As partículas são áxions, um dos vários candidatos propostos para a chamada matéria escura, a substância enigmática que constitui mais de um quarto da matéria do universo. Uma equipe de pesquisadores das universidades de Amsterdã, Princeton e Oxford acredita agora que os áxions poderiam formar nuvens em torno de estrelas de nêutrons, que são os restos incrivelmente densos e colapsados de estrelas mortas. A descoberta abre um novo campo para os investigadores concentrarem a sua pesquisa astrofísica da matéria escura, ao mesmo tempo que destacam a utilidade potencial de um radiotelescópio no espaço.
Possíveis fábricas de matéria escura
A equipe suspeita que alguns áxions produzidos em estrelas de nêutrons poderiam se converter em fótons e escapar para o espaço. Mas muitas destas partículas permaneceriam presas pela gravidade da estrela, formando uma nuvem axiónica em torno da estrela de neutrões. A pesquisa do grupo que descreve a ideia foi publicada recentemente em Exame Físico X e dá continuidade ao trabalho anterior da equipe explorando áxions que poderiam escapar dos campos gravitacionais das estrelas de nêutrons que os produzem.
“Quando vemos algo, o que acontece é que as ondas eletromagnéticas (luz) refletem em um objeto e atingem nossos olhos. “A maneira como ‘vemos’ os áxions é um pouco diferente”, disse Anirudh Prabhu, pesquisador do Centro de Ciência Teórica de Princeton e coautor do artigo, em um e-mail ao Gizmodo. “Embora a luz possa ‘rebater’ nos áxions, esse processo é extremamente raro. A forma mais comum de detectar áxions é o efeito Primakoff, que permite que os áxions se convertam em luz (e vice-versa) na presença de um forte campo magnético.”
Algumas estrelas de nêutrons podem estar entre os objetos mais magnéticos do universo e, portanto, recebem um nome especial: magnetares. Este ambiente extremamente magnetizado é um terreno fértil para a conversão de áxions em luz, que poderia então ser detectada por telescópios espaciais, disse Prabhu.
Matéria escura e ondas axion no universo
Matéria escura é o termo coletivo para 27% da matéria no universo que os cientistas não podem observar diretamente porque não emite luz e só parece interagir com a matéria comum através de interações gravitacionais. Outros candidatos incluem partículas massivas de interação fraca (WIMPs), fótons escuros e buracos negros primordiais. Os áxions foram originalmente propostos como uma solução para um problema de física de partículas: fundamentalmente, algumas das propriedades previstas do nêutron não são observadas na natureza. Daí o nome Axions, que vem de uma marca de produtos de limpeza. Finalmente, o áxion foi proposto para resolver alguns dos enigmas desagradáveis que surgiram em torno do Modelo Padrão da física de partículas. No ano passado, outra equipa de investigadores examinou os anéis de Einstein – áreas do espaço onde a luz era fortemente curvada pela gravidade, formando um “anel” visível no espaço – e encontrou evidências de que os áxions são candidatos à matéria escura.
As ondas eletromagnéticas (isto é, luz) produzidas pela conversão de áxions podem ter comprimentos de onda de uma fração de polegada a mais de meia milha (um quilômetro) de comprimento, observou Prabhu. Mas a ionosfera da Terra bloqueia comprimentos de onda muito longos dos telescópios terrestres, por isso os observatórios espaciais podem ser a nossa melhor aposta para detectar evidências de áxions.
Estrelas de nêutrons e áxions têm uma história
“É amplamente aceito no campo da física dos áxions que se houver campos elétricos grandes e variáveis no tempo paralelos aos campos magnéticos, você terá condições ideais para produzir áxions”, disse Benjamin Safdi, físico de partículas da UC Berkeley que conduziu o estudo não foi vinculado ao jornal atual em um e-mail para o Gizmodo. “Em retrospecto, é óbvio e claro que se este processo ocorrer em pulsares, uma parte significativa dos áxions produzidos poderia ser ligada gravitacionalmente devido à forte gravidade da estrela de nêutrons.”
Em 2021, Safdi foi coautor de um artigo postulando que áxions poderiam ser produzidos nas Sete Magníficas, um grupo de estrelas de nêutrons em nossa própria galáxia. Os Sete Magníficos produzem raios X de alta frequência, e a equipe sugeriu que a conversão de áxions em fótons poderia produzir raios X como os observados por alguns telescópios. Mas muitos dos áxions produzidos nos núcleos destas estrelas de nêutrons ficam mais próximos da fonte, disse a equipe mais recente, formando uma grande população ao longo de centenas de milhões – se não bilhões – de anos.
“Esses axions se acumulam em escalas de tempo astrofísicas, formando uma densa ‘nuvem de axions’ ao redor da estrela”, escreveu a equipe no artigo. “Embora seja necessária uma compreensão mais profunda das incertezas sistemáticas nestes sistemas, as nossas estimativas atuais sugerem que os radiotelescópios existentes poderiam melhorar a sensibilidade ao acoplamento áxion-fóton em mais de uma ordem de magnitude.”
“No entanto, os cálculos apresentados neste trabalho apresentam muitas incertezas – isso não é culpa dos autores; É apenas um problema difícil e dinâmico”, acrescentou Safdi. “Eu também gostaria de ver um trabalho mais completo sobre as perspectivas de detecção deste sinal, incluindo uma melhor modelagem da população de estrelas de nêutrons e uma estimativa da sensibilidade com instrumentos existentes e futuros.”
Então, como podemos detectar e identificar a matéria escura?
Mas os telescópios espaciais mais modernos não são radiotelescópios. O Telescópio Espacial Webb, lançado em 2021, observa alguns dos feixes de luz mais antigos que podemos ver nos comprimentos de onda do infravermelho e do infravermelho próximo. O Telescópio Espacial Euclides da ESA, lançado no ano passado com o objectivo específico de melhorar a nossa compreensão da matéria escura do Universo, também vê o cosmos no infravermelho. Na verdade, uma das opções mais atraentes para um observatório baseado em rádio é o Lunar Crater Radio Telescope (LCRT), que é exatamente o que parece: um radiotelescópio gigante que transformaria uma cratera lunar em um prato no lado escuro. da lua.
“Os áxions representam uma das nossas melhores oportunidades para a nova física”, disse Safdi, embora sejam “notoriamente difíceis de estudar devido às suas fracas interações com a matéria comum”.
“Essas interações fracas podem ser potencializadas em ambientes astrofísicos extremos, como aqueles encontrados na magnetosfera das estrelas de nêutrons”, acrescentou. “Trabalho como este poderia facilmente abrir caminho para a descoberta.”
Existem muitos radiotelescópios que fazem um trabalho fantástico na Terra – o MeerKAT, o Very Large Telescope e o ALMA, para citar alguns – mas parece que poderemos precisar de uma nova missão espacial se quisermos ter a oportunidade de ver ondas axiónicas. Sem pressão, cofres da NASA!