Dados do observatório Chandra testam “teoria de tudo”

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Uma das maiores ideias da física é a possibilidade de que todas as forças, partículas e interações conhecidas possam ser ligadas numa única estrutura. A teoria das cordas é sem dúvida a proposta mais bem conhecida para uma “teoria de tudo” que uniria a nossa compreensão do Universo físico.

Apesar de existirem muitas versões diferentes da teoria das cordas a circular durante décadas pela comunidade da física, têm havido muito poucos testes experimentais. No entanto, os astrónomos que usam o Observatório de raios-X Chandra da NASA deram um passo significativo nessa área.

Pesquisando enxames galácticos, as maiores estruturas do Universo mantidas juntas pela gravidade, os investigadores conseguiram procurar uma partícula específica que muitos modelos da teoria das cordas preveem que deveria existir.

Embora a não deteção resultante não descarte completamente a teoria das cordas, dá um golpe em certos modelos dessa família de ideias.

“Até recentemente, eu não fazia ideia do quanto os astrónomos de raios-X ‘traziam para a mesa’ quando se trata da teoria das cordas,” disse Christopher Reynolds, da Universidade de Cambridge, Reino Unido, que liderou o estudo. “Se estas partículas forem eventualmente detetadas, isso mudaria a física para sempre.”

A partícula que Reynolds e seus colegas estavam a procurar é chamada de “axião”. Estas partículas ainda não detetadas devem ter massas extraordinariamente baixas. Os cientistas não sabem o intervalo preciso de massa, mas muitas teorias apresentam massas axiais que variam de mais ou menos um milionésimo da massa de um eletrão até massa zero. Alguns cientistas pensam que os axiões poderiam explicar o mistério da matéria escura, responsável pela grande maioria da matéria no Universo.

Uma propriedade invulgar destas partículas de massa ultrabaixa seria a de que às vezes convertem-se em fotões (isto é, “pacotes” de luz) à medida que passam através de campos magnéticos. O oposto também pode ser verdadeiro: os fotões também podem ser convertidos em axiões sob certas condições. A frequência com que esta conversão ocorre depende da facilidade com que a fazem, ou seja, da sua “conversibilidade.”

Alguns cientistas propuseram a existência de uma classe mais ampla de partículas de massa ultrabaixa com propriedades semelhantes às dos axiões. Os axiões teriam um único valor de conversibilidade em cada massa, mas as “partículas semelhantes a axiões” teriam um intervalo de conversibilidade na mesma massa.

“Embora possa parecer um tiro no escuro procurar partículas minúsculas como os axiões em estruturas gigantescas como enxames galácticos, na verdade são lugares ótimos para a procura,” disse o coautor David Marsh da Universidade de Estocolmo na Suécia. “Os enxames de galáxias contêm campos magnéticos enormes e também costumam conter fontes brilhantes de raios-X. Juntas, estas propriedades aumentam a probabilidade de detetar a conversão de partículas parecidas a axiões.”

Para procurar sinais de conversão por partículas tipo-axião, a equipa de astrónomos examinou mais de cinco dias de observações em raios-X, pelo Chandra, de material a cair em direção ao buraco negro supermassivo no centro do enxame de galáxias de Perseu.

Eles estudaram o espectro do Chandra, ou a quantidade de emissão de raios-X observada em diferentes energias desta fonte. A longa observação e a brilhante fonte de raios-X forneceram um espectro com sensibilidade suficiente para mostrar distorções que os cientistas esperavam caso partículas tipo-axião estivessem presentes.

A ausência de deteção de tais distorções permitiu que os investigadores descartassem a presença da maioria dos tipos de partículas parecidas a axiões na gama de massas às quais as suas observações eram sensíveis, abaixo de mil bilionésimos da massa de um eletrão.

“A nossa investigação não descarta a existência destas partículas, mas definitivamente não ajuda ao seu caso,” disse a coautora Helen Russell da Universidade de Nottingham. “Estas restrições investigam o leque de propriedades sugeridas pela teoria das cordas e podem ajudar os teóricos das cordas a eliminar as suas teorias.”

O resultado mais recente foi cerca de três a quatro vezes mais sensível do que a melhor investigação anterior de partículas semelhantes a axiões, proveniente de observações Chandra do buraco negro supermassivo da galáxia M87.

Este estudo do enxame de galáxias de Perseu também é cerca de cem vezes mais poderoso que as medições atuais que podem ser realizadas em laboratórios aqui na Terra, para o intervalo de massa que consideraram.

Claramente, uma possível interpretação deste trabalho é que não existem partículas do tipo-axião. Outra explicação é que as partículas têm valores de conversibilidade ainda mais baixos do que o limite de deteção desta observação, e inferiores aos esperados por alguns físicos de partículas. Também podem ter massas mais altas do que as estudadas com os dados do Chandra.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 10 de fevereiro de 2020 da revista The Astrophysical Journal e está disponível online.