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Os movimentos de um asteróide podem revelar uma nova força no universo?

Os movimentos de um asteróide podem revelar uma nova força no universo?

quatro forças fundamentais no Universo. Estas forças governam todas as maneiras pelas quais a matéria pode interagir, desde o som da risada de uma criança até o aglomerado de galáxias a um bilhão de anos-luz de distância. Pelo menos é o que pensávamos até recentemente. Coisas como a matéria escura e a energia escura, bem como algumas interações estranhas na física de partículas, levaram alguns pesquisadores a propor uma quinta força fundamental. Dependendo do modelo que você considera, esta nova força poderia explicar a matéria escura e a expansão cósmica, ou poderia interagir com partículas elementares que ainda não detectamos. Existem muitas teorias sobre essa força hipotética. O que não há muitas são evidências. Portanto, um novo estudo procura evidências nas órbitas dos asteróides.

Muitos dos modelos de quinta força concentram-se no que é conhecido como interações do tipo Yukawa. Nos primórdios da física nuclear, Hideki Yukawa propôs uma interação potencial para descrever como os prótons e os nêutrons poderiam se unir nos núcleos dos átomos. A força resultante era semelhante às forças do inverso do quadrado da gravidade e do eletromagnetismo, mas tinha um aspecto de decaimento exponencial, afetando apenas os núcleons. Com o tempo, à medida que começamos a compreender melhor as interações nucleares, o modelo potencial de Yukawa foi substituído pela força nuclear forte, embora continue a ser uma boa aproximação para núcleons de baixa energia. Semelhante à forma como a gravidade newtoniana é uma boa aproximação para a relatividade geral.

À medida que os cientistas começaram a desenvolver modelos de quinta força, a interação Yukawa ganhou atenção mais uma vez. Por exemplo, o bóson de Higgs gera massa em partículas através de uma interação Yukawa. A energia escura é frequentemente descrita como parte dos aspectos fundamentais do espaço-tempo, mas também pode ser descrita como uma força fundamental do tipo Yukawa. Se existir tal quinta força, então ela teria um efeito sobre coisas como o movimento planetário. Mas o efeito seria tão pequeno que não tivemos oportunidade de o detectar até recentemente, e é aí que entra este novo estudo.

O impacto potencial na órbita de Bennu de outras forças. Crédito: Tsai, et al

A equipe considerou os efeitos de uma força fundamental do tipo Yukawa mediada por um campo escalar massivo. Por outras palavras, tal como o campo electromagnético é mediado pelos bósons sem massa conhecidos como fotões, a quinta força é mediada por um bóson semelhante, mas com massa. A massa destes novos bósons determinaria quão fortemente a força afetaria os movimentos orbitais. Dado o quão bem os movimentos orbitais concordam com a gravidade newtoniana, qualquer bóson de Yukawa precisaria ter uma massa extremamente pequena. Com observações ópticas padrão e observações de radar de planetas, sabemos que a massa desses bósons não poderia ser superior a cerca de 10-16 eV. Isso é realmente pequeno, mas ainda grande o suficiente para ser medido com uma espaçonave que visita asteróides.

Neste trabalho, a equipe analisou dados da missão OSIRIS-REx, que coletou amostras de material do asteroide 101955 Bennu. Como recebemos sinais de rádio diretamente do OSIRIS-REx, conhecemos seu movimento com extrema precisão. E como ele orbitou e pousou em Bennu, conhecemos extremamente bem o movimento orbital do asteroide. Com base nestes dados, a equipa não encontrou nenhuma evidência de uma quinta força, mas colocou ainda mais restrições à massa de qualquer partícula de quinta força. Sabemos agora que estes hipotéticos bósons escuros não podem ter uma massa superior a 10-18 eV, aproximadamente um fator de 100 mais forte que os limites anteriores.

Então, tanto quanto podemos dizer, quando se trata de forças fundamentais, cinco está certo.

Referência: Tsai, Yu-Dai, et al.Restrições na quinta força e na matéria escura ultraleve do OSIRIS-REx têm como alvo o asteroide Bennu.” Física das Comunicações 7.1 (2024): 311.