Explosão de supernova pode revelar segredos da matéria escura

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Uma explosão de supernova iminente pode ser a chave para desvendar um dos maiores mistérios da física: a matéria escura. Astrônomos da Universidade da Califórnia, Berkeley (UC Berkeley, EUA), acreditam que os primeiros 10 segundos de uma supernova podem emitir partículas hipotéticas chamadas áxions em quantidade suficiente para confirmar sua existência.

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Essa descoberta seria como “ganhar na loteria” da física, considerando a dificuldade em detectar essas partículas por outros meios. Indo para além disso, permitiria abrir um leque enorme de possibilidades para entendermos os mais complexos fatores relacionados ao Universo.

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Foco nos áxions

Os áxions foram propostos inicialmente na década de 1970 para solucionar um dilema da física de partículas chamado “problema do CP forte”, na cromodinâmica quântica (QCD). Basicamente, questiona por que a interação da força forte não viola a simetria CP (carga-paridade).

A força forte é uma das quatro forças fundamentais da natureza, responsável por manter os núcleos atômicos unidos. A existência de áxions, com massa extremamente pequena, ausência de carga elétrica e abundância no Universo, responderia como um hipotético ajuste automático do valor do parâmetro que causaria a violação de CP na QCD para zero ou próximo de zero, eliminando assim a violação de CP nas interações fortes.

Mais tarde, os físicos perceberam que essas propriedades também tornavam os áxions candidatos ideais para compor a matéria escura, a substância invisível que representa a maior parte da massa do Universo. Segundo as teorias mais aceitas, a matéria escura compõe cerca de 27% do cosmos.

Como detectar áxions em uma supernova?

A detecção de áxions se baseia em uma propriedade específica: em campos magnéticos intensos, eles podem se transformar em fótons, partículas de luz. Estrelas de nêutrons, restos de estrelas massivas após uma supernova, possuem campos magnéticos incrivelmente fortes, tornando-as locais promissores para a busca.

A equipe da UC Berkeley calculou que o momento ideal para encontrar áxions é durante o nascimento de uma estrela de nêutrons, ou seja, nos instantes iniciais de uma explosão de supernova. Simulações indicam que uma “explosão” de áxions ocorreria nos primeiros 10 segundos após o colapso da estrela, gerando uma emissão de raios gama detectável. Eles estimam que um tipo específico de áxion, chamado “áxion QCD”, seria detectável por esse método se sua massa fosse superior a 50 microelétron-volts (uma fração ínfima da massa de um elétron).

A necessidade de um novo observatório

Atualmente, o Telescópio Espacial Fermi é o principal instrumento para detectar raios gama de supernovas. No entanto, ele tem apenas 10% de chance de estar apontando para o local certo no momento da explosão. Para aumentar drasticamente as chances de detecção, os pesquisadores propõem o desenvolvimento da GALAXIS (GALactic AXion Instrument for Supernova), uma frota de satélites de raios gama capaz de observar 100% do céu continuamente.

A detecção ou a ausência de áxions durante uma supernova trará resultados igualmente valiosos para a ciência. Se confirmada a existência dos áxions, eles poderão nos ajudar a entender não só a matéria escura e o problema do CP forte, mas também outras áreas da física teórica, como a teoria das cordas e o desequilíbrio entre matéria e antimatéria no Universo.

A questão crucial agora é aguardar a próxima supernova em nossa galáxia. O evento pode ocorrer a qualquer momento – hoje, amanhã ou daqui a décadas. Se o Fermi ou, idealmente, a frota GALAXIS estiverem posicionados corretamente, poderemos obter respostas para algumas das perguntas mais profundas da ciência em questão de segundos. A pesquisa foi publicada na revista Physical Review Letters.