doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041015
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#Estrelas de Nêutrons
Físicos propuseram que os áxions, partículas teóricas que podem explicar a matéria escura, podem se acumular em nuvens densas ao redor de estrelas de nêutrons por causa de seus fortes campos gravitacionais.
Estudos recentes sugerem que essas nuvens de áxions podem ser detectáveis no futuro através de suas interações com campos eletromagnéticos, se transformando em luz. Essa pesquisa oferece um novo método promissor para detectar matéria escura observando essas emissões com radiotelescópios, marcando um avanço importante tanto na física teórica quanto na astronomia.
Uma equipe de físicos das universidades de Amsterdã, Princeton e Oxford descobriu que partículas extremamente leves chamadas áxions podem formar grandes nuvens ao redor de estrelas de nêutrons. Esses áxions podem potencialmente explicar a matéria escura, um dos mistérios mais difíceis de entender na cosmologia, e talvez até sejam mais fáceis de observar do que se pensava antes.
Os resultados, publicados recentemente na revista *Physical Review X*, são baseados em pesquisas anteriores. No trabalho anterior, os cientistas estudaram os áxions que escapam das estrelas de nêutrons. Agora, eles focaram nos áxions que ficam presos pela intensa gravidade das estrelas. Com o tempo, essas partículas devem formar uma nuvem em volta da estrela de nêutrons, e parece que essas nuvens podem ser detectáveis com os telescópios que temos hoje. Mas por que os astrônomos e físicos estão tão interessados em estudar essas nuvens distantes”
Entendendo os Áxions:
Você provavelmente já ouviu falar de prótons, nêutrons, elétrons e fótons – essas são algumas das partículas mais conhecidas. O áxion é menos famoso, e por uma boa razão: no momento, ele é apenas uma partícula teórica – ninguém a detectou de verdade ainda. O nome “áxion” vem de uma marca de sabão, porque, quando essa partícula foi proposta pela primeira vez nos anos 1970, era para “limpar” um problema em nosso entendimento sobre o nêutron, daí a referência ao sabão. Mas, se os áxions existirem, eles seriam muito leves, o que os torna muito difíceis de detectar em experimentos ou observações.
Hoje em dia, os áxions são considerados uma das principais opções para explicar a matéria escura, um dos maiores mistérios da física moderna. Várias evidências sugerem que cerca de 85% da matéria no nosso Universo é “escura”, o que significa que ela não é feita de nenhum tipo de matéria que conhecemos e podemos ver. Em vez disso, a existência da matéria escura é deduzida de forma indireta, através da influência gravitacional que ela exerce sobre a matéria visível. Felizmente, isso não significa que a matéria escura não possa interagir de outras formas com a matéria que conhecemos, mas se essas interações existirem, elas são muito fracas, o que torna a matéria escura muito difícil de observar diretamente.
Colocando as peças juntas, os físicos perceberam que o áxion pode ser o que estavam procurando para resolver o problema da matéria escura. Uma partícula que ainda não foi observada, que seria muito leve e teria interações muito fracas com outras partículas? será que os áxions podem pelo menos ser parte da explicação para a matéria escura”
Estrelas de Nêutrons e a Detecção dos Áxions
A ideia de que o áxion é uma partícula de matéria escura é interessante, mas em física uma ideia só é realmente boa se tiver consequências que possam ser observadas. Será que existe uma maneira de observar os áxions, mesmo cinquenta anos depois de terem sido propostos”
Quando expostos a campos elétricos e magnéticos, os áxions podem se converter em fótons – partículas de luz – e vice-versa. Luz é algo que sabemos como observar, mas a interação dos áxions com a luz é muito fraca, então a quantidade de luz que eles produzem normalmente seria pequena. Isso, a menos que a gente considere um ambiente com uma quantidade gigantesca de áxions e com campos eletromagnéticos muito fortes.
Isso levou os pesquisadores a pensar nas estrelas de nêutrons, as estrelas mais densas do nosso Universo. Essas estrelas têm massas parecidas com a do nosso Sol, mas estão comprimidas em um tamanho de apenas 12 a 15 quilômetros. Essa densidade extrema cria um ambiente igualmente extremo, com campos magnéticos bilhões de vezes mais fortes do que qualquer coisa na Terra. Pesquisas recentes mostraram que, se os áxions existirem, esses campos magnéticos podem permitir que as estrelas de nêutrons produzam essas partículas em grande quantidade perto de sua superfície.
Nuvens Persistentes de Áxions:
No trabalho anterior, os cientistas focaram nos áxions que, depois de serem produzidos, escapavam da estrela. Eles calcularam quanto desses áxions seriam produzidos, quais trajetórias seguiriam e como sua conversão em luz poderia gerar um sinal fraco, mas observável. Desta vez, eles estudaram os áxions que não conseguem escapar – os que, apesar de sua massa minúscula, são capturados pela imensa gravidade da estrela de nêutrons.
Devido às interações fracas dos áxions, essas partículas ficam por perto e, ao longo de milhões de anos, podem se acumular em volta da estrela de nêutrons, formando nuvens densas. Isso cria novas oportunidades incríveis para a pesquisa com áxions. No artigo, os pesquisadores estudam a formação, as propriedades e a evolução dessas nuvens, apontando que elas provavelmente existem.
Na verdade, os autores afirmam que, se os áxions existirem, as nuvens de áxions devem se formar ao redor de muitas, talvez todas, as estrelas de nêutrons, e serem muito densas (possivelmente com uma densidade vinte ordens de magnitude maior que a densidade da matéria escura local). Por causa disso, elas podem gerar sinais de luz que poderíamos observar.
Esses sinais podem ser de dois tipos: uma emissão contínua que ocorre durante grande parte da vida de uma estrela de nêutrons ou um forte lampejo de luz quando a estrela para de produzir sua radiação eletromagnética. Esses sinais podem ser observados e usados para investigar as interações entre áxions e fótons com mais detalhes do que conseguimos hoje, mesmo com os radiotelescópios que já temos.
Explorando Estudos Futuros sobre Áxions:
Até agora, nenhuma nuvem de áxions foi observada, mas com os novos resultados, sabemos exatamente o que procurar, tornando a busca muito mais viável. A principal tarefa agora é “procurar por nuvens de áxions”, mas o trabalho também abre várias novas possibilidades teóricas para explorar.
Por exemplo, um dos autores já está envolvido em pesquisas para estudar como as nuvens de áxions podem mudar a dinâmica das próprias estrelas de nêutrons. Outra direção importante para futuras pesquisas é a modelagem numérica das nuvens de áxions: o presente estudo mostra um grande potencial de descoberta, mas é preciso mais modelagem para saber ainda mais precisamente o que procurar e onde. Finalmente, os resultados atuais são todos para estrelas de nêutrons isoladas, mas muitas dessas estrelas estão em sistemas binários – às vezes com outra estrela de nêutrons, às vezes com um buraco negro. Entender a física das nuvens de áxions nesses sistemas e seus sinais observáveis seria muito valioso.
Portanto, o trabalho atual é um passo importante em uma nova e empolgante direção de pesquisa. Uma compreensão completa das nuvens de áxions exigirá esforços complementares de várias áreas da ciência, incluindo física de partículas, física de plasma e astronomia de rádio. Este estudo abre um novo campo interdisciplinar, com muitas oportunidades para pesquisas futuras.
Publicado em 23/10/2024 01h00
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