Experimento utiliza pulsares para investigar ondas de matéria escura.

A matéria escura é um tipo de matéria que se prevê constituir a maior parte da matéria do universo, contudo, é muito difícil de detectar utilizando técnicas experimentais convencionais, uma vez que não emite, absorve ou reflete luz. Embora alguns estudos anteriores tenham recolhido indícios indiretos da sua existência, a matéria escura nunca foi observada diretamente; assim, a sua composição permanece um mistério.

Crédito: Colaboração PPTA.

Uma hipótese é que a matéria escura seja composta de partículas semelhantes a áxions com massa extremamente baixa, amplamente denominadas matéria escura ultraleve semelhante a áxion (ALDM). Como essas partículas são extremamente leves, as previsões sugerem que elas se comportariam mais como ondas do que como partículas individuais em escala galáctica.

A colaboração PPTA, uma grande equipe de pesquisadores de diferentes institutos ao redor do mundo, aplicou uma nova abordagem para buscar matéria escura ativa (ALDM) por meio da correlação cruzada de dados de polarização de pulsares, estrelas de nêutrons que giram rapidamente e emitem feixes de ondas de rádio altamente regulares. Essa abordagem, denominada "Pulsar Polarization Array (PPA)", consiste em medir os ângulos de posição da polarização de uma série de pulsares e como eles mudaram ao longo do tempo e em relação à posição espacial do pulsar.

A abordagem visa descobrir padrões de correlação dessas mudanças que poderiam ser explicados pela presença de matéria escura ultraleve. Os primeiros resultados obtidos neste estudo PPTA foram publicados na revista Physical Review Letters .

"Em 2021, propusemos construir um 'PPA' usando dados coletados de programas de matrizes de temporização de pulsares (PTA), posicionando-o como uma ferramenta de polarimetria inovadora para explorar a astrofísica e a física fundamental", disse Tao Liu, autor correspondente do artigo, ao Phys.org.

"Identificamos a detecção de ALDM através do efeito de birrefringência cósmica induzido pelo seu acoplamento de Chern-Simons como uma aplicação científica convincente para o PPA."

Uma das características mais intrigantes das partículas ultraleves de matéria escura é o seu comportamento ondulatório previsto quando observadas em escalas astronômicas, o que decorre da sua massa extremamente baixa. Os pesquisadores levantaram a hipótese de que a ALDM (partículas ultraleves de matéria escura) induziria a luz linearmente polarizada de uma série de pulsares a ondular com uma oscilação distinta na sua polarização enquanto atravessa o halo galáctico.

"Isso torna o PPA uma oportunidade notável para investigar esse paradigma representativo da matéria escura e avançar em nossa compreensão da natureza da matéria escura", disse Jing Ren, outro autor de contato do artigo.

"Reconhecendo o potencial impacto científico desta proposta, começamos com entusiasmo a explorar a viabilidade de conduzir a primeira análise PPA com dados reais para o ALDM. Felizmente, o Parkes PTA (PPTA), um dos principais programas PTA do mundo, com seus extensos dados de polarização de pulsares a longo prazo, apresentou-se como uma plataforma ideal para este empreendimento científico."

Busca por matéria escura ultraleve com matrizes de polarização de pulsares

Para avaliar inicialmente sua abordagem na busca por matéria escura ultraleve (ALDM), os pesquisadores coletaram dados de polarização de pulsares de rotação rápida observados pelo radiotelescópio de Parkes. Este é um observatório de radioastronomia localizado próximo à cidade de Parkes, na Austrália.

"Embarcamos nesta ambiciosa busca por ALDM ultraleve, examinando as ondulações esperadas na polarização dos pulsares PPA que indicam uma influência em toda a galáxia, com forte apoio da equipe do PPTA", explicou Liu. "Para estabelecer o primeiro PPA, utilizamos dados de polarização de 22 pulsares de milissegundos fornecidos pelo terceiro lançamento de dados do PPTA, que abrange um período de observação de até 18 anos."

Liu e seus colegas examinaram o ângulo de posição da polarização de cada um dos 22 pulsares e analisaram como ele variava ao longo do tempo. Eles removeram fontes de ruído e flutuações aleatórias dos dados e, em seguida, tentaram descobrir padrões de correlação dos sinais de polarização entre os pulsares.

"O desenvolvimento de uma estrutura de análise adequada, incluindo a modelagem de ruído, foi crucial em nossa pesquisa, dada a natureza inovadora deste método", disse Ren.

"Em última análise, ao correlacionar efetivamente os dados de pulsares dentro da galáxia, essa estrutura nos permitiu identificar a principal assinatura da matéria escura ultraleve semelhante a áxions: resíduos de polarização que exibem um padrão de onda específico ao longo do tempo e em vastas distâncias astronômicas."

Phys.org