Apesar de 90 anos de pesquisa, a natureza e a influência da Matéria Escura continuam a escapar aos astrônomos e cosmólogos. Proposta pela primeira vez na década de 1960 para explicar as curvas rotacionais das galáxias, esta massa invisível não interage com a matéria normal (exceto através da gravidade) e representa 85% da massa total do Universo. É também um componente vital no modelo cosmológico do Universo mais amplamente aceito, o Lambda Matéria Escura Fria (LCDM) modelo. No entanto, de acordo com uma nova pesquisa, a caça ao DM pode terminar assim que uma estrela próxima se tornar uma supernova.
Atualmente, o áxion é considerado o candidato mais provável para DM, uma hipotética partícula de baixa massa proposta na década de 1970 para resolver problemas na teoria quântica. Também tem havido pesquisas consideráveis sobre como os astrônomos poderiam detectar áxions observando estrelas de nêutrons e objetos com campos magnéticos poderosos. Em um estudo recente apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, uma equipe de astrofísicos da Universidade da Califórnia em Berkeley argumentou que os áxions poderiam ser descobertos segundos após a detecção de raios gama de uma explosão de supernova próxima.
O estudo foi conduzido por pesquisadores do Centro Berkeley de Física Teórica (BCTP) e membro do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) Grupo de Física Teórica. O artigo que descreve suas descobertas foi publicado em 19 de novembro na revista Cartas de revisão física. Como argumentam, os áxions seriam produzidos em grandes quantidades durante os primeiros 10 segundos após uma estrela massiva sofrer o colapso do núcleo e se tornar uma estrela de nêutrons. Esses áxions escapariam então e seriam transformados em raios gama de alta energia no intenso campo magnético da estrela.
Durante décadas, a busca pela matéria escura concentrou-se em Objetos Halo compactos massivos (MACHOs). Quando não se materializaram, os físicos começaram a considerar Partículas Massivas de Interação Fraca (WIMPs) como o candidato mais provável, mas também não conseguiu encontrar nada tangível. Isso fez com que os áxions se tornassem o candidato mais amplamente aceito, uma partícula elementar que se enquadra no Modelo Padrão da Física de Partículas e resolve várias questões não resolvidas na Mecânica Quântica – incluindo uma Teoria de tudo (ToE).
O candidato mais forte para áxions é o áxion da cromodinâmica quântica (QCD), que teoricamente interage com toda a matéria, embora fracamente. Como pesquisas anteriores mostraram, os áxions ocasionalmente se transformam em fótons na presença de um forte campo magnético que pode ser detectado. No entanto, tais detecções seriam muito desafiantes, uma vez que exigiriam que a supernova estivesse próxima (dentro da Via Láctea ou de uma das suas galáxias satélites). Além disso, as supernovas observáveis são raras, ocorrendo uma vez a cada poucas décadas.
A última vez que os astrónomos observaram este fenómeno foi em 1987, quando uma supernova Tipo II (SN1987A) apareceu de repente no Grande Nuvem de Magalhães (LMC), a cerca de 168.000 anos-luz da Terra. Na época, a NASA Missão Solar Máxima (SMM) estava observando a GNM, mas não era sensível o suficiente para detectar a intensidade prevista dos raios gama. Benjamin Safdi, professor associado de física da UC Berkeley e autor sênior de um artigo, explicou em um recente UC Berkeley News declaração:
“Se víssemos uma supernova, como a supernova 1987A, com um telescópio moderno de raios gama, seríamos capazes de detectar ou descartar este axion QCD, este áxion mais interessante, em grande parte do seu espaço de parâmetros – essencialmente todo o parâmetro espaço que não pode ser sondado no laboratório e grande parte do espaço de parâmetros que também pode ser sondado no laboratório. E tudo aconteceria em 10 segundos.”
Através de uma série de simulações de supercomputadores que usaram SN1987A para restringir áxions de maior massa, Safdi e seus colegas determinaram que as supernovas do Tipo II produzem simultaneamente explosões de raios gama e neutrinos. Eles notaram ainda que os raios gama produzidos dependeriam da massa dos áxions e durariam apenas 10 segundos após a formação da estrela de nêutrons. Depois disso, a taxa de produção cairia drasticamente. Isto significa que um telescópio espacial de raios gama deve ser apontado para a supernova precisamente no momento certo.
O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi é atualmente o único observatório capaz de detectar fontes cósmicas de raios gama. Com base no seu campo de visão, os cientistas estimam que o Fermi teria cerca de uma chance em dez de detectar uma supernova. Para esse fim, a equipe propõe que criemos um telescópio de raios gama de próxima geração conhecido como GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). Disse Safdi:
“Isso realmente nos levou a pensar nas estrelas de nêutrons como alvos ideais para a busca de áxions como laboratórios de axions. As estrelas de nêutrons têm muitas coisas a seu favor. São objetos extremamente quentes. Eles 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 possuem campos magnéticos dezenas de bilhões de vezes mais fortes do que qualquer coisa que possamos construir em laboratório. Isso ajuda a converter esses áxions em sinais observáveis.”
Como observam, uma única detecção de raios gama identificaria a massa de um áxion numa enorme gama de massas teóricas e permitiria que experiências de laboratório reorientassem os seus esforços na confirmação desta massa. Mesmo a falta de detecção significaria que os cientistas poderiam eliminar uma grande variedade de massas potenciais para o áxion, o que restringiria consideravelmente a busca pela matéria escura. Entretanto, Safdi e os seus colegas esperam que o telescópio Fermi tenha um golpe de sorte.
“O melhor cenário para os áxions é que Fermi capte uma supernova”, acrescentou. “É que a chance disso é pequena. Mas se Fermi o visse, seríamos capazes de medir a sua massa. Poderíamos medir sua força de interação. Seríamos capazes de determinar tudo o que precisamos saber sobre o áxion e ter uma confiança incrível no sinal, porque não há matéria comum que possa criar tal evento.”
Leitura adicional: Notícias da Universidade da Califórnia em Berkeley, Cartas de revisão física
