25 de jun de 2018

Novo experimento para investigar as interações da matéria escura

Por volta do ano 1600, o experimento de Galileu Galilei levou-o à conclusão que no campo gravitacional da Terra, todos os corpos independente de sua massa e composição, caem com a mesma aceleração. Isaac Newton, realizou experimentos com pêndulos com diferentes materiais para poder verificar a chamada universalidade da queda livre e chegou a uma precisão de 1:1000. Mais recentemente, o experimento de satélite chamado de MICROSCOPE confirmou a universalidade da queda livre de objetos no campo gravitacional da Terra com uma precisão de 1:100 trilhões.

Esses tipos de experimentos, contudo, só podem testar a universalidade da queda livre na matéria ordinária, como a própria Terra, cuja composição é dominada por ferro, 32%, oxigênio, 30%, sílica, 15% e magnésio, 14%. Em escalas maiores, contudo, a matéria ordinária, ser somente uma pequena fração da matéria e energia do universo.

Acredita-se que a chamada matéria escura seja responsável por cerca de 80% da matéria no universo. Até hoje, a matéria escura não foi observada diretamente. Sua presença é somente inferida indiretamente, a partir de várias observações astronômicas, como a rotação das galáxias, o movimento dos aglomerados de galáxias, e as lentes gravitacionais. A natureza verdadeira da matéria escura é uma das mais proeminentes questões da ciência moderna. Muitos físicos acreditam que a matéria escura consiste de partículas subatômicas ainda não descobertas.

Com a natureza desconhecida da matéria escura outra importante questão surge, a gravidade é a única maneira de interação entre a matéria normal e a matéria escura? Em outras palavras, a matéria só sente a curvatura do espaço-tempo causada pela matéria escura, ou existe outra força que puxa a matéria em direção à matéria escura, ou talvez até mesmo empurre-a para longe e então reduza a atração total entre a matéria normal e a matéria escura. Isso implicaria numa violação da universalidade da queda livre em direção à matéria escura. Essa força hipotética é algumas vezes chamada de quinta força, ou seja, é uma força que existe além das 4 forças fundamentais da natureza, a gravitação, o eletromagnetismo, a interação forte e a interação fraca.

Atualmente existem vários experimentos acontecendo pelo mundo com o objetivo de impor limites a essa quinta força originada da matéria escura. Um dos mais interessantes experimentos usa a órbita do sistema Terra-Lua para testar alguma aceleração anômala em direção ao centro galáctico, ou seja, o centro do halo esférico de matéria escura existente na nossa galáxia. A alta precisão desse experimento vem do Lunar Laser Ranging, onde a distância entre a Terra e a Lua é medida com a precisão centimétrica através de lasers da Terra que são atirados em direção a retro refletores instalados na Lua.

Até hoje, ninguém conduziu um teste dessa quinta força com um objeto exótico como uma estrela de nêutrons. “Existem duas razões que pulsares binários abrem uma maneira completamente nova de teste para essa quinta força entre a matéria normal e a matéria escura”, disse Lijing Shao, do Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), em Born, na Alemanha, e o primeiro autor de uma publicação no periódico Physical Review Letters. “Primeiro, uma estrela de nêutrons consiste de matéria que não pode ser construída no laboratório, muitas vezes mais densa que um núcleo atômico e consistindo inteiramente de nêutrons. Além disso, os enormes campos gravitacionais dentro da estrela de nêutrons, bilhões de vezes mais forte que o do nosso Sol, poderiam em princípio aumentar de forma significante a interação com a matéria escura”.

A órbita de um pulsar binário pode ser obtida com uma grande precisão medindo o tempo de chegada dos sinais de rádio do pulsar com radiotelescópios. Para alguns pulsares, uma precisão de mais de 100 nano segundos pode ser conseguida, correspondendo à determinação da órbita de um pulsar com uma precisão melhor do que 30 metros.

Para testar a universalidade da queda livre em direção à matéria escura, a equipe de pesquisa identificou um pulsar binário em particular, chamado de PSR J1713+0747, que está a uma distância de 3800 anos-luz da Terra. Esse é considerado um pulsar de milissegundo com um período rotacional de apenas 4.6 milissegundos e é um dos mais estáveis em rotação entre os pulsares conhecidos. Além disso, ele está numa órbita praticamente circular de 58 dias com uma estrela do tipo anã branca.

Nos pulsares, os astrônomos normalmente estão interessados nos pulsares binários bem justos com um movimento orbital rápido, quando testam a relatividade geral, os pesquisadores estavam agora olhando por pulsares de milissegundo em uma órbita mais afastada. Quanto mais ampla for a órbita, mais sensível será a reação caso a universalidade da queda livre seja violada. Se o pulsar cair com uma aceleração diferente em direção à matéria escura com relação à sua companheira anã branca, deve-se observar a deformação da órbita binária com relação ao tempo, ou seja, uma mudança na excentricidade da órbita.

“Mais de 20 anos de registros regulares de alta precisão usando o rádio telescópio Effelsberg do European Pulsar Timing Array e com os projetos NANOGrav da América do Norte, além de outros rádio telescópios, mostraram com alta precisão que a excentricidade da órbita do pulsar não mudou”, explica Norbert Wex, também do MPIfR. “Isso significa que para um alto grau a estrela de nêutrons sente a mesma atração em direção à matéria escura do que sente em relação a outras formas de matéria ordinária”.

“Para fazer testes ainda melhores, nós estamos ocupados pesquisando por outros pulsares próximos de uma grande quantidade esperada de matéria escura”, disse Michael Kramer, diretor do MPIfR, e chefe do Fundamental Physics in Radio Astronomy. “O local ideal é o centro galáctico, onde nós usamos o Effelsberg e outros telescópios no mundo para observar como parte do projeto Black Hole Cam. Uma vez que tivermos o Square Kilometre Array, poderemos fazer esses testes super precisos”, conclui ele.


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