Matéria escura? Raios-X ao redor das “Magníficas Sete” podem ser rastos de uma misteriosa partícula

(dr) University of Michigan

Uma equipa de cientistas descobriu que os misteriosos raios-X detetados em estrelas de neutrões próximas podem ser a primeira evidência de axiões, partículas hipotéticas que podem ajudar a desvendar segredos sobre a matéria escura.

Existem muitos tipos de partículas que constituem a matéria no Universo. Os mais comuns são protões, neutrões e eletrões. Essas partículas colidem umas com as outras em certos ambientes, como dentro do núcleo de uma estrela ou em aceleradores de partículas construídos por cientistas na Terra.

Os axiões há muito tempo são esquivos para os físicos porque estão “a interagir fracamente”, o que significa que raramente colidem com outras partículas e, em vez disso, frequentemente passam por elas.

“O axião foi proposto pela primeira vez no final dos anos 1970 para resolver este problema chamado de ‘problema de CP forte’, o que significa que as distribuições de carga elétrica negativa e positiva dentro do neutrão estão centradas em torno do mesmo ponto”, disse Christopher Dessert, investigador da Universidade do Michigan, em comunicado. “Na década seguinte, descobriu-se que, se o axião existisse, também poderia ser matéria escura.”

Teoricamente, os axiões podem ser criados por outras partículas em colisão ou existem naturalmente como matéria escura, que os físicos acreditam que constitui uma grande percentagem do Universo que não conseguimos ver diretamente.

A descoberta de axiões responderia a muitas perguntas sobre a matéria escura e outros mistérios da física de partículas. Os axiões também são previstos pela teoria das cordas – a ideia de que todas as forças e partículas do Universo estão ligadas como parte da mesma estrutura.

“Encontrar axiões tem sido um dos maiores esforços na física de partículas de alta energia, tanto em teoria quanto em experimentos”, disse Raymond Co, ex-investigador da Universidade de Michigan.

“Achamos que axiões podem existir, mas ainda não os descobrimos. Podemos pensar em axiões como partículas fantasmas. Podem estar em qualquer lugar do Universo, mas não interagem fortemente connosco, por isso ainda não temos nenhuma observação deles”.

Em 2019, a equipa liderada por Benjamin Safdi, que trabalha no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, observou um aumento misterioso e inexplicável nos raios-X emitidos pelas “Magníficas Sete” (Magnificent Seven) – várias estrelas de neutrões, que são estrelas extremamente densas, compostas principalmente de neutrões.

Estas estrelas – núcleos em colapso de estrelas massivas mortas que morreram numa supernova – não estão agrupadas num grupo, mas partilham várias características em comum: todas são estrelas de neutrões isoladas de cerca de meia-idade, algumas centenas de milhares de anos desde a morte estelar.

Recentemente, a equipa propôs que esses raios-X extra são causados ​​por axiões a ser produzidos nos núcleos das estrelas de neutrões.

Os cientistas usaram uma teoria proposta anteriormente sobre axiões para explicar este fenómeno. A teoria afirma que os axiões são produzidos no núcleo de uma estrela de neutrões como subprodutos da colisão de neutrões e protões. As partículas disparam para o forte campo magnético da estrela, onde são convertidas em fotões – partículas de luz – que constituem os raios-X detetados pelos telescópios na Terra.

Como os axiões carregam muito mais energia do que os fotões normalmente emitidos por estrelas de neutrões, os fotões produzidos a partir dos axiões produziriam mais energia, explicando o aumento inesperado dos raios-X.

Os investigadores dizem que este estudo não estabelece definitivamente a existência do axião, fornecendo, no entanto, evidências convincentes para isso.

“Mas passamos muito tempo naquele primeiro estudo, a verificar se o sinal que estávamos a ver é real e estamos muito, muito confiantes de que é”, disse Dessert. “No que diz respeito a saber se é um axião, pode ser um novo processo astrofísico na estrela de neutrões que não conhecemos. Mas é certamente consistente com a existência de um axião a fazer este sinal”.

Se o excesso é produzido por axiões, a maior parte da radiação deve ser emitida com energias mais altas do que o XMM-Newton e o Chandra são capazes de detetar. A equipa espera usar um telescópio mais recente, o NuSTAR da NASA, para observar as Magníficas Sete numa faixa mais ampla de comprimentos de onda.

Estrelas anãs brancas magnetizadas podem ser outro lugar para procurar a emissão de axiões. Como as Magníficas Sete, estes objetos têm fortes campos magnéticos e não se espera que produzam uma forte emissão de raios-X.

Este estudo foi publicado na semana passada na revista científica Physical Review Letters.