(Imagem: © Mark Garlick / Getty Images)
O universo pode estar cheio de partículas “espelho” – e essas partículas indetectáveis podem estar encolhendo as estrelas mais densas do universo, transformando-as em buracos negros, sugere um novo estudo.
Esses hipotéticos gêmeos do mal de partículas comuns experimentariam uma versão invertida das leis da física, como se as regras que governam as partículas conhecidas fossem refletidas em um espelho. De acordo com um novo estudo, publicado em dezembro de 2020 no banco de dados de pré-impressão arXiv, mas ainda não revisado por pares, se essas partículas existirem, elas estariam encolhendo as estrelas mais densas do universo em buracos negros.
Através do espelho
Várias simetrias fundamentais na natureza dão origem às leis da física. Por exemplo, a capacidade de mover um experimento ou interação no espaço e ter o mesmo resultado leva à conservação do momento.
Mas uma dessas simetrias, a simetria do reflexo, nem sempre é obedecida. A simetria do reflexo ocorre quando você olha para a imagem no espelho de uma reação física. Em quase todos os casos, você obtém exatamente o mesmo resultado. Por exemplo, se você joga uma bola no ar e a pega, ela parece exatamente a mesma no espelho – a gravidade respeita a simetria do reflexo.
Mas nem todas as forças atuam junto. O violador da simetria de reflexão (também conhecida como simetria de espelho, simetria P ou paridade) é a força nuclear fraca. Sempre que a força fraca está envolvida em alguma interação de partículas, a imagem espelhada dessa interação parecerá diferente. O experimento clássico que primeiro detectou esse efeito descobriu que quando uma versão radioativa do cobalto decai, o elétron que ele emite prefere ir em uma direção (em particular, oposta à direção do spin do cobalto), em vez de qualquer direção aleatória. Se a força nuclear fraca obedecesse à simetria de reflexão, então esses elétrons não deveriam ter “conhecido” qual direção é qual e apareceram em qualquer lugar que quisessem.
Os físicos não têm ideia de por que a simetria do espelho está quebrada em nosso universo, então alguns propuseram uma explicação radical: talvez não esteja quebrada de forma alguma, e estamos apenas olhando para o universo da maneira errada.
Você pode resgatar a simetria do espelho se permitir a existência de algumas partículas extras. E por “alguns” quero dizer “muito” – uma cópia espelhada de cada partícula. Haveria elétrons espelho, nêutrons espelho, fótons espelho, bósons Z espelho. Você escolhe, tem um espelho. (Isso é diferente da antimatéria, que é como matéria normal, mas com carga elétrica oposta.)
Outros nomes para a matéria do espelho incluem “matéria da sombra” e “matéria de Alice” (como em “Através do espelho”). Ao introduzir matéria espelhada, o reflexo é preservado no universo: a matéria comum realiza interações com a mão esquerda e a matéria espelhada realiza interações com a mão direita. Tudo se sincroniza no nível matemático.
O coração da estrela
Mas como os cientistas podem testar essa ideia radical? Como a única força que viola a simetria do espelho é a força nuclear fraca, essa é a única força que pode fornecer um “canal” para que a matéria regular se comunique com suas contrapartes no espelho. E a força fraca é muito, muito fraca, então mesmo se o universo fosse inundado com partículas de espelho, elas seriam quase imperceptíveis.
Muitos experimentos se concentraram em partículas neutras, como nêutrons, porque elas não têm interações eletromagnéticas, tornando os experimentos mais fáceis. As pesquisas por nêutrons de espelho ainda não revelaram nada, mas ainda não há esperança. Isso porque esses experimentos ocorreram na Terra, que não tem um campo gravitacional superfortal. Mas os físicos teóricos prevêem que um campo gravitacional muito forte pode aumentar a conexão entre nêutrons e nêutrons espelho. Felizmente, a natureza já criou um dispositivo experimental muito superior para caçar matéria espelhada: estrelas de nêutrons.
Estrelas de nêutrons são os núcleos remanescentes de estrelas gigantes. Eles são extraordinariamente densos – uma única colher de chá de material de estrela de nêutrons superaria as Grandes Pirâmides – e extremamente pequenos. Imagine juntar material equivalente a 10 sóis em um volume não maior do que Manhattan.
Estrelas de nêutrons são essencialmente núcleos atômicos do tamanho de uma cidade, compostos de nêutrons individuais amontoados o mais firmemente possível.
Gêmeos do mal de nêutrons
Com essa incrível abundância de nêutrons, associada ao campo gravitacional extremo (as “montanhas” mais altas das estrelas de nêutrons mal chegam a meia polegada de altura), coisas estranhas estão prestes a acontecer. Uma dessas coisas, propõe o novo estudo, são os nêutrons se transformando ocasionalmente em suas contrapartes de nêutrons espelho.
Quando um nêutron se transforma em um nêutron espelho, algumas coisas acontecem. O nêutron do espelho ainda está pendurado dentro da estrela; está gravitacionalmente ligado e, portanto, não pode ir a lugar nenhum. E o nêutron do espelho tem uma (minúscula) influência gravitacional própria, então a estrela não evapora. Mas os nêutrons do espelho não participam das interações que os cientistas detectam nas estrelas de nêutrons, então isso muda a química interna. Eles participam de uma vida de “estrela de nêutrons espelho”, com seu próprio conjunto de interações atômicas interessantes, mas essa vida está oculta de nós, como um fantasma habitando o corpo de uma estrela de nêutrons regular.
É como ir a um jogo de futebol lotado e aos poucos substituir os torcedores por recortes de papelão: o estádio ainda está cheio, mas a energia acabou.
Conforme os nêutrons se convertem lentamente em nêutrons espelho, a estrela encolhe. Em uma proporção de 1: 1 de nêutrons regulares para nêutrons espelho, a estrela de nêutrons se encontra cerca de 30% menor.
As estrelas de nêutrons podem se sustentar com o peso esmagador de sua própria gravidade por um processo mecânico quântico chamado pressão de degenerescência. Mas essa pressão tem um limite e, com menos nêutrons regulares, esse limite diminui. Se uma estrela tivesse uma proporção de 1: 1 de nêutrons comuns para nêutrons espelho, a massa máxima das estrelas de nêutrons no universo seria cerca de 30% menos massiva do que o que normalmente esperaríamos. Mais massivo do que isso, e as estrelas de nêutrons entrariam em colapso em buracos negros.
Os cientistas observaram estrelas de nêutrons maiores do que isso, o que à primeira vista pode significar que a matéria do espelho é uma ideia sem saída (e temos que encontrar alguma outra explicação para a violação da simetria do espelho). Mas o caso não está encerrado: o universo é tão antigo (13,8 bilhões de anos), e não temos ideia de quanto tempo esse processo de mudança pode durar. É possível que não tenha havido tempo suficiente para as estrelas de nêutrons fazerem a troca.
O legal das estrelas de nêutrons é que os cientistas estão olhando para elas o tempo todo. Ao encontrar e observar mais estrelas de nêutrons, eles podem apenas encontrar um sinal em qualquer um desses sinais de que há um espelho oculto – e ouso dizer “mal”? – setor do universo.
Publicado em 22/01/2021 19h34
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