Pulsar limita a “Quinta Força” Interações com a Matéria Negra

Um experimento recente para entender melhor a natureza da matéria escura restringe uma possível "quinta força" da natureza a quase zero.

A ilustração de um artista mostra como o pulsar PSR J1713 + 0747 e seu companheiro anão branco podem se parecer. ESO / L. Calçada

Os cientistas estudaram recentemente um sistema binário de pulsares para restringir a existência de uma hipotética quinta força fundamental da natureza.

Já conhecemos quatro forças fundamentais: gravidade, eletromagnetismo e forças nucleares fortes e fracas. No entanto, existem alguns efeitos no universo que não podem ser explicados apenas por essas forças. Por exemplo, um experimento de 2016 na Hungria mostrou um comportamento inesperado no decaimento de núcleos no isotipo berílio-8. (Depois de disparar protões na folha de lítio, observadores viram mais pares de elétron-pósitron ejetados em um ângulo de 140 graus, o que é difícil de explicar com as teorias de física nuclear padrão.)

Uma possibilidade é a existência de uma "quinta força" da natureza, que governa o comportamento das partículas elementares ao lado das outras quatro forças. Alguns cientistas sugerem que essa força poderia funcionar na matéria escura, a substância invisível que compõe a maior parte da massa do universo. Podemos ver os efeitos da matéria escura na matéria comum, mas a detecção direta iludiu os cientistas e o que é feito permanece desconhecido.

Teste para uma quinta força

Um grupo de pesquisa testou uma quinta força usando um pulsar e seu companheiro de estrela anã branca. Os pulsares, cujos átomos foram compactados em nêutrons, são tão densos que seus campos gravitacionais extremos poderiam melhorar quaisquer interações possíveis com a matéria escura. A anã branca, apesar de ainda embalar seus átomos com sardinha, não é tão compacta. 

A relatividade geral prevê que a matéria normal deve cair livremente na direção da matéria escura, mas uma quinta força que tenha a capacidade de interagir com a matéria normal e a escura poderia fortalecer ou diminuir a força da matéria escura. Se existe uma quinta força, o halo da matéria escura da Via Láctea, cuja densidade deve atingir o pico no centro da galáxia, puxaria a estrela de nêutrons e a anã branca de diferentes maneiras, alterando levemente sua órbita.

Os pesquisadores escolheram o pulsar binário PSR J1713 + 0747, que fica a 3.800 anos-luz da Terra, na direção do centro galáctico. Acredita-se que a matéria escura seja mais populosa em direção ao coração da galáxia, de modo que o sistema binário do pulsar fornece um teste ideal de como uma quinta força atuaria na matéria escura e na matéria padrão. Os pesquisadores queriam ver se os movimentos do pulsar e da anã branca seriam diferentes quando eles se orbitaram.

"Se existe uma quinta força que atua entre matéria escura e matéria padrão, não seria universal", diz Lijing Shao (Instituto Max Planck de Radioastronomia, Alemanha). "Portanto, produziria uma diferença aparente para a estrela de nêutrons e a anã branca em sua queda livre em direção à matéria escura. Assim, a órbita da estrela de nêutrons seria diferente do que é previsto pela relatividade geral."

Usando 20 anos de observações de rádio deste sistema, os pesquisadores concluíram que, se existe uma quinta força, ela deve ter menos de 1% da força da gravidade. (E a gravidade já é a mais fraca das quatro forças conhecidas.) Os resultados aparecem na Physical Review Letters .

Os pesquisadores também descobriram que os limites da densidade da matéria escura neste sistema pulsar eram similares a outros testes mais próximos da Terra. Em outras palavras, a equipe não provou ou refutou outras observações mostrando que a densidade da matéria escura aumenta em direção ao centro da galáxia.

Além da relatividade

Aurélien Hees (Observatório de Paris), que não esteve envolvido no estudo, observou que este trabalho é o primeiro a investigar as interações entre uma quinta força hipotética e a matéria escura dessa maneira. O curto período de rotação do pulsar - apenas 4,6 milissegundos - e sua rotação estável o tornaram um bom candidato para restringir os efeitos da quinta força, disse ele.

Com a quinta força, ele explica: "Esperamos ver algo um pouco além da relatividade. Estamos tentando procurar por isso com todas as observações disponíveis da Terra".

Shao diz que sua equipe espera estudar mais pulsares binários mais próximos do centro da galáxia para entender melhor os efeitos da matéria escura. Ao contrário da maioria dos testes de relatividade geral, neste caso, os pesquisadores querem encontrar pulsares movendo-se em órbitas relativamente lentas em torno de seu companheiro. O desafio, é claro, é encontrar os pulsares em primeiro lugar. 

Ele sugeriu que um avanço virá quando o mais sensível Square Kilometre Array estiver pronto na década de 2020. "Os radiotelescópios e matrizes maiores são melhores porque medem com maior precisão o tempo de chegada do [sinal do pulsar]", disse Shao.

Fonte: skyandtelescope.com