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Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. Crédito: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
As fusões de estrelas de nêutrons são um tesouro para novos sinais físicos, com implicações para determinar a verdadeira natureza da matéria escura, de acordo com uma pesquisa da Universidade de Washington em St.
Em 17 de agosto de 2017, o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro Laser (LIGO), nos Estados Unidos, e Virgo, um detector na Itália, detectou ondas gravitacionais da colisão de duas estrelas de nêutrons. Pela primeira vez, este evento astronómico não foi apenas ouvido em ondas gravitacionais, mas também visto na luz por dezenas de telescópios no solo e no espaço.
Pesquisa sobre partículas semelhantes a axions
O físico Bhupal Dev em Artes e Ciências usou observações deste Estrêla de Neutróns fusão – um evento identificado nos círculos astronômicos como GW170817 – para derivar novas restrições em partículas semelhantes a áxions. Estas partículas hipotéticas não foram observadas diretamente, mas aparecem em muitas extensões do modelo padrão da física.
Os áxions e partículas semelhantes a áxions são os principais candidatos a compor parte ou toda a matéria “ausente”, ou matéria escura, do universo que os cientistas ainda não foram capazes de explicar. No mínimo, estas partículas que interagem debilmente podem servir como uma espécie de portal, ligando o setor visível, sobre o qual os humanos conhecem muito, ao desconhecido setor escuro do universo.
“Temos boas razões para suspeitar que uma nova física além do modelo padrão pode estar à espreita”, disse Dev, primeiro autor do estudo em Cartas de revisão física e membro do corpo docente do McDonnell Center for the Space Sciences da universidade.
Insights das fusões da Neutron Star
Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, um remanescente quente e denso é formado por um breve período de tempo. Este remanescente é um terreno fértil ideal para a produção de partículas exóticas, disse Dev. “O remanescente fica muito mais quente do que as estrelas individuais durante cerca de um segundo antes de se estabelecer numa estrela de neutrões maior ou numa estrela de neutrões maior. buraco negrodependendo das massas iniciais”, disse ele.
Estrelas de nêutrons condenadas giram em direção ao seu desaparecimento nesta animação, que representa fenômenos observados até nove dias após GW170817. Crédito: NASACentro de Voo Espacial Goddard/Laboratório CI
Estas novas partículas escapam silenciosamente dos detritos da colisão e, longe da sua fonte, podem decair em partículas conhecidas, normalmente fotões. Dev e sua equipe – incluindo Steven Harris, ex-WashU (agora bolsista NP3M na Universidade de Indiana), bem como Jean-François Fortin, Kuver Sinha e Yongchao Zhang – mostraram que essas partículas escapadas dão origem a sinais eletromagnéticos únicos que podem ser detectados por telescópios de raios gama, como o Fermi-LAT da NASA.
A equipe de pesquisa analisou informações espectrais e temporais desses sinais eletromagnéticos e determinou que eles poderiam distinguir os sinais do fundo astrofísico conhecido. Em seguida, eles usaram dados Fermi-LAT em GW170817 para derivar novas restrições no axion-fóton acoplamento em função da massa do áxion. Estas restrições astrofísicas são complementares àquelas provenientes de experimentos de laboratório, como o Áxion Dark Matter eXperiment (ADMX), que investiga uma região diferente do espaço de parâmetros do áxion.
Perspectivas Futuras em Física de Partículas
No futuro, os cientistas poderiam usar telescópios espaciais de raios gama existentes, como o Fermi-LAT, ou missões de raios gama propostas, como o Telescópio Avançado de Astrofísica de Partículas (APT), liderado por WashU, para fazer outras medições durante colisões de estrelas de nêutrons e ajudar a melhorar sua compreensão de partículas semelhantes a áxions.
“Ambientes astrofísicos extremos, como fusões de estrelas de nêutrons, fornecem uma nova janela de oportunidade em nossa busca por partículas do setor escuro como os áxions, que podem ser a chave para a compreensão dos 85% que faltam de toda a matéria no universo”, disse Dev.
Referência: “Primeiras restrições no acoplamento de fótons de partículas semelhantes a axônios de estudos multimensageiros da fusão de estrelas de nêutrons GW170817” por PS Bhupal Dev, Jean-François Fortin, Steven P. Harris, Kuver Sinha e Yongchao Zhang, 5 de março de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101003
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia.
