Explodindo “Dark Stars” – Revelando os segredos explosivos da matéria escura

A matéria escura, influenciando o universo através de interações gravitacionais, permanece indescritível com formas potenciais como WIMPs e áxions, estes últimos possivelmente formando “estrelas escuras” explosivas. 

A matéria escura influencia o comportamento cósmico através de interações gravitacionais, levando a fenômenos como “estrelas escuras”, que podem explodir de forma semelhante às supernovas. A exploração de potenciais partículas de matéria escura, como WIMPs e axions, é fundamental para a compreensão destes eventos celestes. Crédito: SciTechDaily.com 

A matéria escura é uma substância fantasma que os astrônomos não conseguem detectar há décadas, mas que sabemos que tem uma enorme influência na matéria normal do Universo, como estrelas e galáxias.

Através da enorme atração gravitacional que exerce sobre as galáxias, ele as faz girar, dá-lhes um impulso extra ao longo de suas órbitas ou até mesmo as despedaça.

Como um espelho cósmico de carnaval, ele também desvia a luz de objetos distantes para criar imagens distorcidas ou múltiplas, um processo chamado lente gravitacional.

E pesquisas recentes sugerem que pode criar ainda mais drama do que isso, ao produzir estrelas que explodem.

A busca para identificar a matéria escura Apesar de toda a destruição que causa nas galáxias, não se sabe muito sobre se a matéria escura pode interagir consigo mesma, a não ser através da gravidade.

Se experimentar outras forças, elas devem ser muito fracas, caso contrário, teriam sido medidas.

Um possível candidato a partícula de matéria escura, composto por uma classe hipotética de partículas massivas de interação fraca (ou WIMPs), foi estudado intensamente, até agora sem nenhuma evidência observacional.

Recentemente, outros tipos de partículas, também de interação fraca, mas extremamente leves, tornaram-se foco de atenção. Estas partículas, chamadas áxions, foram propostas pela primeira vez no final da década de 1970 para resolver um problema quântico, mas também podem ser adequadas para a matéria escura.

Axions e a dança cósmica Ao contrário dos WIMPs, que não podem “grudar” para formar pequenos objetos, os axions podem fazê-lo. Por serem tão leves, um grande número de áxions teria de ser responsável por toda a matéria escura, o que significa que teriam de ser amontoados. Mas por serem um tipo de partícula subatômica conhecida como bóson, eles não se importam.

Na verdade, os cálculos mostram que os áxions podem estar tão compactados que começam a comportar-se de forma estranha – agindo colectivamente como uma onda – de acordo com as regras da mecânica quântica, a teoria que rege o micromundo dos átomos e partículas. 

Este estado é chamado de condensado de Bose-Einstein e pode, inesperadamente, permitir que os áxions formem suas próprias “estrelas”.

Isto aconteceria quando a onda se movesse sozinha, formando o que os físicos chamam de “sóliton”, que é um pedaço localizado de energia que pode se mover sem ser distorcido ou disperso. Isso é frequentemente visto na Terra em vórtices e redemoinhos, ou nos anéis de bolhas que os golfinhos desfrutam debaixo d’água.

O novo estudo fornece cálculos que mostram que tais sólitons acabariam crescendo em tamanho, tornando-se uma estrela de tamanho semelhante ou maior que uma estrela normal.

Mas finalmente, tornam-se instáveis e explodem.

A energia liberada por uma dessas explosões (apelidada de “bosenova”) rivalizaria com a de uma supernova (uma estrela normal em explosão). Dado que a matéria escura supera em muito a matéria visível no Universo, isto certamente deixaria um sinal nas nossas observações do céu.

Ainda não encontramos essas cicatrizes, mas o novo estudo nos dá algo para procurar.

Perspectivas observacionais e desenvolvimentos teóricos Os pesquisadores por trás do estudo dizem que o gás circundante, feito de matéria normal, absorveria essa energia extra da explosão e emitiria parte dela de volta.

Como a maior parte desse gás é feita de hidrogênio, sabemos que essa luz deveria estar em radiofrequências. É emocionante que observações futuras com o radiotelescópio Square Kilometer Array possam captá-lo.

Assim, embora os fogos de artifício das explosões de estrelas escuras possam estar ocultos da nossa visão, poderemos ser capazes de encontrar as suas consequências na matéria visível.

O que é óptimo nisto é que tal descoberta ajudar-nos-ia a descobrir de que é realmente feita a matéria escura – neste caso, muito provavelmente os áxions.

Esta impressão artística mostra o Square Kilometer Array, um conjunto de telescópios que está sendo construído atualmente na Austrália e na África. Crédito: SPDO/TDP/DRAO/Swinburne Astronomy Productions

E se as observações não detectarem o sinal previsto? Isso provavelmente não excluirá completamente esta teoria, já que outras partículas “semelhantes a axions” ainda são possíveis.

Uma falha na detecção pode indicar, no entanto, que as massas destas partículas são muito diferentes, ou que não se acoplam à radiação tão fortemente como pensávamos.

Na verdade, isso já aconteceu antes.

Originalmente, pensava-se que os áxions se acoplariam tão fortemente que seriam capazes de resfriar o gás dentro das estrelas. 

Mas como os modelos de arrefecimento estelar mostraram que as estrelas funcionavam bem sem este mecanismo, a força de acoplamento dos eixos teve de ser menor do que se supunha originalmente.

É claro que não há garantia de que a matéria escura seja composta de áxions.

Os WIMPs ainda são concorrentes nesta corrida, e há outros também.

Aliás, alguns estudos sugerem que a matéria escura semelhante ao WIMP também pode formar “estrelas escuras”.

Neste caso, as estrelas ainda seriam normais (feitas de hidrogénio e hélio), com a matéria escura apenas a alimentá-las. Prevê-se que estas estrelas escuras alimentadas por WIMP sejam supermassivas e vivam apenas por um curto período de tempo no universo primitivo.

Mas eles poderiam ser observados pelo telescópio espacial James Webb.

Um estudo recente reivindicou três dessas descobertas, embora o júri ainda não tenha decidido se esse é realmente o caso.

No entanto, o entusiasmo pelos axions está crescendo e há muitos planos para detectá-los.

Por exemplo, espera-se que os áxions se convertam em fótons quando passam por um campo magnético, portanto, as observações de fótons com uma certa energia têm como alvo estrelas com campos magnéticos, como estrelas de nêutrons, ou mesmo o Sol.

Na frente teórica, há esforços para refinar as previsões sobre como seria o universo com diferentes tipos de matéria escura. Por exemplo, os áxions podem ser distinguidos dos WIMPs pela forma como curvam a luz através de lentes gravitacionais. Com melhores observações e teoria, esperamos que o mistério da matéria escura seja desvendado em breve.

Escrito por Andreea Font, leitora de astrofísica teórica, Liverpool John Moores University.

Fonte: scitechdaily.com