Pulsares podem fazer a matéria escura brilhar

A questão central na busca contínua pela matéria escura é: de que ela é feita? Uma resposta possível é que a matéria escura consiste em partículas conhecidas como áxions.

A Nebulosa do Caranguejo – um remanescente de uma explosão de supernova que em seu centro contém um pulsar. O pulsar faz com que a matéria comum na forma de gás da nebulosa se acenda. Como os investigadores demonstraram agora, pode fazer o mesmo com a matéria escura na forma de áxions, levando a um brilho adicional subtil que pode ser medido. Crédito: NASA/CXC/ASU/J. Hester e outros

Uma equipe de astrofísicos, liderada por pesquisadores das universidades de Amesterdan e Princeton, mostrou agora que, se a matéria escura consistir em áxions, pode revelar-se na forma de um brilho adicional subtil proveniente de estrelas pulsantes. Seu trabalho foi publicado na revista Physical Review Letters. 

A matéria escura pode ser o constituinte mais procurado do nosso universo. Surpreendentemente, presume-se que esta forma misteriosa de matéria, que os físicos e os astrônomos até agora não conseguiram detectar, constitui uma enorme parte do que existe lá fora.

Suspeita-se que nada menos que 85% da matéria do Universo seja “escura”, atualmente apenas perceptível através da atracão gravitacional que exerce sobre outros objetos astronômicos. Compreensivelmente, os cientistas querem mais. Eles querem realmente ver a matéria escura – ou, pelo menos, detectar a sua presença diretamente, e não apenas inferi-la a partir de efeitos gravitacionais. E, claro: eles querem saber o que é.

Limpando dois problemas

Uma coisa é certa: a matéria escura não pode ser o mesmo tipo de matéria de que você e eu somos feitos. Se fosse esse o caso, a matéria escura simplesmente se comportaria como matéria comum – formaria objetos como estrelas, iluminaria-se e não seria mais “escura”. Os cientistas estão, portanto, à procura de algo novo – um tipo de partícula que ninguém detectou ainda e que provavelmente interage apenas muito fracamente com os tipos de partículas que conhecemos, explicando por que este constituinte do nosso mundo tem permanecido até agora indefinido.

Existem muitas pistas sobre onde procurar. Uma suposição popular é que a matéria escura poderia ser composta de áxions. Este tipo hipotético de partícula foi introduzido pela primeira vez na década de 1970 para resolver um problema que nada tinha a ver com a matéria escura. A separação de cargas positivas e negativas dentro do nêutron, um dos blocos de construção dos átomos comuns, revelou-se inesperadamente pequena. É claro que os cientistas queriam saber por quê.

Descobriu-se que a presença de um tipo de partícula até então não detectada, interagindo muito fracamente com os constituintes do nêutron, poderia causar exatamente esse efeito. O posterior ganhador do Prêmio Nobel, Frank Wilczek, criou um nome para a nova partícula: axion – não apenas semelhante a outros nomes de partículas como próton, nêutron, elétron e fóton, mas também inspirado em um sabão em pó de mesmo nome. O áxion estava lá para resolver um problema.

Na verdade, apesar de nunca ter sido detectado, pode limpar dois. Várias teorias para partículas elementares, incluindo a teoria das cordas, uma das principais teorias candidatas para unificar todas as forças da natureza, pareciam prever que poderiam existir partículas semelhantes a áxions. Se os áxions existissem de fato, poderiam eles também constituir parte ou mesmo toda a matéria escura desaparecida? Talvez, mas uma questão adicional que assombrava todas as pesquisas sobre a matéria escura era igualmente válida para os áxions: se sim, então como podemos vê-los? Como tornar visível algo “escuro”?

Iluminando a matéria escura

Felizmente, parece que para os áxions pode haver uma saída para esse enigma. Se as teorias que preveem os áxions estiverem corretas, espera-se que não apenas sejam produzidos em massa no universo, mas que alguns áxions também possam ser convertidos em luz na presença de fortes campos eletromagnéticos. Quando houver luz, podemos ver. Poderia esta ser a chave para detectar áxions – e, portanto, para detectar matéria escura?

Para responder a essa pergunta, os cientistas primeiro tiveram que se perguntar onde no universo ocorrem os campos elétricos e magnéticos mais fortes conhecidos. A resposta é: em regiões ao redor de estrelas de nêutrons em rotação, também conhecidas como pulsares. Estes pulsares – abreviação de “estrelas pulsantes” – são objetos densos, com uma massa aproximadamente igual à do nosso Sol, mas um raio cerca de 100.000 vezes menor, apenas cerca de 10 km. Sendo tão pequenos, os pulsares giram com frequências enormes, emitindo feixes estreitos e brilhantes de emissão de rádio ao longo do seu eixo de rotação. Semelhante a um farol, os feixes do pulsar podem varrer a Terra, tornando a estrela pulsante facilmente observável. 

No entanto, o enorme giro do pulsar faz mais. Transforma a estrela de nêutrons em um eletroímã extremamente forte. Isso, por sua vez, pode significar que os pulsares são fábricas de áxions muito eficientes. A cada segundo, um pulsar médio seria capaz de produzir um número de áxions de 50 dígitos. Devido ao forte campo eletromagnético ao redor do pulsar, uma fração desses áxions poderia ser convertida em luz observável. Isto é: se os áxions existirem – mas o mecanismo agora pode ser usado para responder exatamente a essa pergunta. Basta olhar para os pulsares, ver se eles emitem luz extra e, se o fizerem, determinar se essa luz extra pode vir de áxions.

Simulando um brilho sutil

Como sempre acontece na ciência, realizar tal observação não é tão simples. A luz emitida pelos áxions – detectável na forma de ondas de rádio – seria apenas uma pequena fração da luz total que esses brilhantes faróis cósmicos enviam em nossa direção. É preciso saber com muita precisão como seria um pulsar sem áxions, e como seria um pulsar com áxions, para poder ver a diferença – e muito menos quantificar essa diferença e transformá-la em uma medida de uma quantidade de escuridão.

Isto é exatamente o que uma equipe de físicos e astrônomos fez agora. Num esforço colaborativo entre os Países Baixos, Portugal e os EUA, a equipa construiu um quadro teórico abrangente que permite a compreensão detalhada de como os áxions são produzidos, como os áxions escapam à atração gravitacional da estrela de neutrões e como, durante a sua fuga, eles se convertem em radiação de rádio de baixa energia. 

Os resultados teóricos foram então colocados num computador para modelar a produção de áxions em torno dos 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 produzido virtualmente, foi simulada a propagação dos áxions através dos campos eletromagnéticos da estrela de nêutrons. Isto permitiu aos pesquisadores compreender quantitativamente a produção subsequente de ondas de rádio e modelar como este processo forneceria um sinal de rádio adicional além da emissão intrínseca gerada pelo próprio pulsar.

Colocando modelos de axions em teste

Os resultados da teoria e da simulação foram então submetidos a um primeiro teste observacional. Usando observações de 27 pulsares próximos, os investigadores compararam as ondas de rádio observadas com os modelos, para ver se qualquer excesso medido poderia fornecer evidências da existência de áxions. Infelizmente, a resposta foi “não” – ou talvez de forma mais otimista: “ainda não”. Os áxions não saltam imediatamente para nós, mas talvez isso não fosse de se esperar. Se a matéria escura revelasse os seus segredos tão facilmente, já teria sido observada há muito tempo.

A esperança de uma detecção definitiva de áxions, portanto, está agora em observações futuras. Enquanto isso, a atual não observação dos sinais de rádio dos áxions é um resultado interessante por si só. A primeira comparação entre simulações e pulsares reais colocou os limites mais fortes até o momento na interação que os áxions podem ter com a luz.

É claro que o objetivo final é fazer mais do que apenas estabelecer limites – é mostrar que os áxions existem ou garantir que é extremamente improvável que os áxions sejam constituintes da matéria escura. Os novos resultados são apenas um primeiro passo nessa direção; eles são apenas o começo do que poderia se tornar um campo inteiramente novo e altamente interdisciplinar que tem o potencial de avançar dramaticamente a busca por axions.

Fonte: Universoracionalista.org