A busca para descobrir a natureza da matéria escura é um dos maiores desafios da ciência hoje, mas a chave para finalmente entender essa substância misteriosa pode estar nas estrelas.
Ou, para ser preciso, um tipo específico de estrela – a estrela de nêutrons.
Até agora, os cientistas conseguiram inferir a existência de matéria escura, mas não a observaram diretamente. Na verdade, detectar partículas de matéria escura em experimentos na Terra é uma tarefa formidável, porque as interações das partículas de matéria escura com a matéria regular são extremamente raras.
Para pesquisar esses sinais incrivelmente raros, precisamos de um detector muito grande – talvez tão grande que seja impraticável construir um detector grande o suficiente na Terra. No entanto, a Natureza oferece uma opção alternativa na forma de estrelas de nêutrons – uma estrela de nêutrons inteira pode atuar como o detector de matéria escura definitivo.
Em pesquisas publicadas na Physical Review Letters, determinamos como usar com muito mais precisão as informações obtidas a partir desses detectores de matéria escura naturais exclusivos.
Estrelas de nêutrons são as estrelas mais densas que existem e se formam quando estrelas gigantes morrem em explosões de supernovas. Deixado para trás está um núcleo colapsado, no qual a gravidade pressiona a matéria tão fortemente que prótons e elétrons se combinam para formar nêutrons. Com uma massa comparável à do Sol – comprimida em um raio de 10 km – uma colher de chá de estrela de nêutrons tem uma massa de cerca de um bilhão de toneladas!
Essas estrelas são “laboratórios cósmicos”, permitindo-nos estudar como a matéria escura se comporta sob condições extremas que não podem ser replicadas na Terra.
A matéria escura interage muito fracamente com a matéria comum. Por exemplo, ele pode passar por um ano-luz de chumbo (cerca de 10 trilhões de quilômetros) sem ser interrompido. Incrivelmente, no entanto, as estrelas de nêutrons são tão densas que podem capturar todas as partículas de matéria escura que passam por elas.
Teoricamente, as partículas de matéria escura colidiriam com nêutrons da estrela, perderiam energia e ficariam presas gravitacionalmente. Com o tempo, as partículas de matéria escura se acumulariam no centro da estrela. Espera-se que isso aqueça estrelas de nêutrons velhas e frias a um nível que pode estar ao alcance de observações futuras. Em casos extremos, o acúmulo de matéria escura pode desencadear o colapso da estrela em um buraco negro.
Isso significa que as estrelas de nêutrons podem nos permitir sondar certos tipos de matéria escura que seriam difíceis ou impossíveis de observar em experimentos na Terra.
Na Terra, os experimentos de matéria escura procuram pequenos sinais de recuo nuclear, causados por colisões incrivelmente raras de partículas de matéria escura que se movem lentamente. Em comparação, o forte campo gravitacional de uma estrela de nêutrons acelera a matéria escura a velocidades quase relativísticas, resultando em colisões de energia muito mais altas.
Outro problema para a detecção baseada na Terra é que os experimentos de recuo nuclear são mais sensíveis às partículas de matéria escura que têm uma massa semelhante aos núcleos atômicos, tornando mais difícil detectar matéria escura que pode ser muito mais leve ou mais pesada.
No entanto, as partículas de matéria escura podem teoricamente ficar presas em estrelas e planetas em quantidades consideráveis, independentemente de quão leves ou pesadas elas sejam.
Um desafio crítico no uso de estrelas de nêutrons para detectar matéria escura é garantir que os cálculos que os cientistas usam, levem em conta o ambiente único da estrela. Embora a captura de matéria escura em estrelas de nêutrons tenha sido estudada por décadas, os cálculos existentes perderam importantes efeitos físicos.
Portanto, nossa equipe começou a fazer melhorias importantes no cálculo da taxa de captura de matéria escura – ou seja, a rapidez com que a matéria escura se acumula em estrelas de nêutrons – o que mudou as respostas consideravelmente.
Nossa pesquisa considera corretamente a estrutura do núcleo, em vez de tratar os nêutrons como partículas pontuais, e inclui os efeitos de forças fortes entre os núcleos, em vez de modelar os nêutrons como um gás livre de partículas. Isso se baseou em nosso trabalho anterior, no qual incorporamos a composição da estrela, efeitos relativísticos, estatísticas quânticas e focalização gravitacional.
Simplificando, mostramos como pensar corretamente sobre as colisões de matéria escura no ambiente de estrelas de nêutrons extremos, que é muito diferente dos detectores de matéria escura na Terra.
Esta nova pesquisa aumenta muito a precisão e robustez de nossas estimativas da taxa de captura de matéria escura. Isso abre o caminho para determinarmos melhor a força das interações da matéria escura com a matéria comum.
Em última análise, a evidência (ou falta de evidência) do acúmulo de matéria escura nas estrelas forneceria pistas valiosas sobre onde direcionar os esforços experimentais na Terra, ajudando a desvendar o mistério da matéria escura.
Publicado em 27/10/2021 11h43
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