Os raios gama emergentes de estrelas de nêutrons no centro das explosões de supernovas poderiam resolver o mistério da matéria escura – em apenas 10 segundos. Isto é, se a matéria escura for composta por áxions, que são hipotéticas partículas leves que são atualmente os principais candidatos à matéria escura.
A equipe da Universidade da Califórnia, Berkeley, por trás dessa teoria, acredita que, se for verdade, uma supernova em erupção perto o suficiente da Terra nos permitiria detectar suas emissões de luz de alta energia, confirmar a massa dos áxions e, portanto, resolver todo o quebra-cabeça da matéria escura. .
A explosão de supernova necessária teria de vir de uma estrela massiva morrendo e explodindo dentro da Via Láctea ou em uma de suas galáxias satélites, como a Grande Nuvem de Magalhães. Estes tipos de eventos acontecem a cada poucas décadas, em média, com a última supernova próxima, designada supernova 1987A, a entrar em erupção dentro da Grande Nuvem de Magalhães em 1987.
Se os investigadores estiverem correctos, a procura de matéria escura, que tem preocupado os astrónomos há décadas, poderá ser resolvida num futuro muito próximo com apenas um pouco de sorte.
A detecção de raios gama reveladores exigiria que o único telescópio de raios gama da humanidade baseado no espaço, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi, apontasse na direcção da supernova próxima quando esta explodir. Ao levar em consideração o campo de visão de Fermi, isso tem 1 chance em 10 de acontecer.
A equipe pensa que apenas uma detecção de raios gama de uma estrela de nêutrons no centro dos destroços da supernova seria suficiente para determinar a massa do áxion a partir de uma ampla gama de massas teóricas atualmente sugeridas para essas partículas hipotéticas. A equipe está particularmente interessada na detecção de um tipo de áxion denominado áxion QCD. Ao contrário de outros áxions hipotéticos, a massa do axion QCD depende da temperatura.
“Se víssemos uma supernova, como a supernova 1987A, com um telescópio moderno de raios gama, seríamos capazes de detectar ou descartar este axion QCD”, disse Benjamin Safdi, autor principal da pesquisa e professor associado de física na Universidade de Califórnia Berkeley, disse em um comunicado. “E tudo aconteceria em 10 segundos.”
Por que raios gama?
A matéria escura constitui um problema tão preocupante para os cientistas porque supera as partículas da “matéria cotidiana” no universo em 5 para 1. Isso é significativo porque cada estrela, nuvem de poeira cósmica, lua, asteróide, planeta, humano, animal e cada objeto inanimado que preenche nossas vidas é feito de matéria cotidiana.
A matéria escura também é complicada porque não interage com a luz – ou, se interage, esta interação é tão fraca que não podemos vê-la. Isso torna a matéria escura efetivamente invisível. À medida que a busca pelas partículas que poderiam constituir a matéria escura continuou, os áxions surgiram como os principais candidatos.
Isso é útil porque essas partículas não se enquadram apenas perfeitamente no Modelo Padrão da física de partículas; eles também respondem por outros mistérios. Por exemplo, eles poderiam ser a chave para unificar a teoria da gravidade de Albert Einstein, a relatividade geral e a física quântica.
“Parece quase impossível ter uma teoria consistente da gravidade combinada com a mecânica quântica que não tenha partículas como o áxion”, explicou Safidi.
Embora muitos experimentos baseados na Terra tenham pesquisado o zoológico de partículas para confirmar a existência de áxions, muitos cientistas voltaram sua atenção para as estrelas mais extremas do universo, as estrelas de nêutrons, sugerindo que elas poderiam abrigar essas partículas hipotéticas.
As estrelas de nêutrons nascem quando estrelas massivas ficam sem combustível necessário para a fusão nuclear em seus núcleos, e a pressão de radiação externa que elas vêm gerando há bilhões de anos cessa. Isto significa que estas estrelas já não conseguem sustentar-se contra o impulso da sua própria gravidade.
À medida que os seus núcleos entram em colapso rapidamente, as ondas de choque atingem as camadas superiores destas estrelas massivas, desencadeando supernovas que eliminam a maior parte da massa das estrelas. O resultado são estrelas de nêutrons com massas entre uma e duas vezes a do Sol e larguras de cerca de 20 quilômetros.
Os cientistas propuseram procurar por áxions criados dentro de estrelas de nêutrons logo após ocorrer o colapso do núcleo da supernova que as originou. Este esforço concentrou-se principalmente em áxions que produzem lentamente fótons (as partículas fundamentais da luz) de raios gama quando as partículas encontram os campos magnéticos ao redor das galáxias.
Safdi e colegas teorizaram que este processo não seria muito eficiente na criação de raios gama, pelo menos não em volumes suficientes para serem detectados na Terra. Portanto, mudaram o seu foco para um processo cósmico semelhante, mas desta vez um que ocorre nos poderosos campos magnéticos que rodeiam as próprias estrelas de neutrões. Eles descobriram que esta região pode estimular eficientemente uma explosão de raios gama que corresponderia à massa dos áxions e coincidiria com uma explosão de “partículas fantasmas”, ou neutrinos, do coração da respectiva estrela de nêutrons.
Esta explosão de áxions duraria apenas 10 segundos após a formação da estrela de nêutrons, com a taxa de produção dessas partículas hipotéticas caindo drasticamente horas antes das camadas externas da estrela explodirem.
“Isso realmente nos levou a pensar nas estrelas de nêutrons como alvos ideais para a busca de áxions como laboratórios de axions”, disse Safdi. “As estrelas de nêutrons têm muitas coisas a seu favor. Elas são objetos extremamente quentes. Elas também hospedam campos magnéticos muito fortes. Os campos magnéticos mais fortes do nosso universo são encontrados em torno de estrelas de nêutrons, como os magnetares, que têm campos magnéticos de dezenas de bilhões de dólares. muitas vezes mais forte do que qualquer coisa que possamos construir em laboratório. Isso ajuda a converter esses áxions em sinais observáveis.”
Seguindo esta linha de investigação, e considerando a taxa a que as estrelas de neutrões arrefecem à medida que produzem axiões e neutrinos, Safdi e colegas determinaram que a massa superior do axião QCD seria provavelmente 32 vezes menor que a massa do eletrão.
Neste novo trabalho, a equipe descreveu a produção de raios gama após o colapso do núcleo da supernova que criou uma estrela de nêutrons e considerou a importância do fato de Fermi não ter detectado raios gama quando a supernova 1987A explodiu. Isto levou os investigadores a concluir que a detecção de raios gama de um evento tão explosivo lhes permitiria detectar o áxion QCD se este tivesse uma massa superior a 10 mil milhões da massa do electrão. Uma única detecção, argumentam eles, seria suficiente para reorientar a busca por áxions e ajudar a confirmar sua massa.
“O melhor cenário para os áxions é que o Fermi capte uma supernova. Só que a chance de isso acontecer é pequena”, disse Safdi. “Mas se Fermi o visse, seríamos capazes de medir sua massa. Seríamos capazes de medir sua força de interação. Seríamos capazes de determinar tudo o que precisamos saber sobre o áxion, e seríamos incrivelmente confiante no sinal porque não há matéria comum que possa criar tal evento.”
A equipe está ciente de que existe o perigo de perder os raios gama criados pelos áxions provenientes da próxima erupção de supernova, há muito esperada, nas proximidades da Via Láctea.
Para evitar este resultado, a equipa está a trabalhar com cientistas que constroem telescópios de raios gama para determinar quão viável seria observar 100% do céu 24 horas por dia, 7 dias por semana. Isto garantiria que quaisquer raios gama que escapassem de uma supernova seriam detectados. Os pesquisadores propuseram que a constelação de satélites de raios gama de céu completo fosse chamada de Instrumento de Axion Galáctico para Supernova (GALAXIS).
“Acho que todos nós neste artigo estamos estressados com a possibilidade de uma próxima supernova antes de termos a instrumentação certa”, disse Safdi. “Seria uma pena se uma supernova explodisse amanhã e perdêssemos a oportunidade de detectar o áxion – ele pode não voltar nos próximos 50 anos.”
A pesquisa da equipe foi publicada em 19 de novembro na revista Physical Review Letters.
