A busca pela matéria escura do universo pode terminar amanhã – com uma supernova próxima e um pouco de sorte.
A natureza da matéria escura tem escapado aos astrónomos durante 90 anos, desde a constatação de que 85% da matéria no Universo não é visível através dos nossos telescópios. O candidato mais provável à matéria escura hoje é o áxion, uma partícula leve que pesquisadores de todo o mundo estão tentando desesperadamente encontrar.
Astrofísicos da Universidade da Califórnia, Berkeley, argumentam agora que o áxion poderia ser descoberto segundos após a detecção de raios gama de uma explosão de supernova próxima. Os áxions, se existirem, seriam produzidos em grandes quantidades durante os primeiros 10 segundos após o colapso do núcleo de uma estrela massiva em uma estrela de nêutrons, e esses áxions escapariam e seriam transformados em raios gama de alta energia no intenso campo magnético da estrela. .
Tal detecção só é possível hoje se o único telescópio de raios gama em órbita, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi, estiver apontando na direção da supernova no momento em que ela explode. Dado o campo de visão do telescópio, isso representa cerca de uma likelihood em 10.
No entanto, uma única detecção de raios gama identificaria a massa do áxion, em explicit o chamado áxion QCD, numa enorme gama de massas teóricas, incluindo gamas de massas que estão agora a ser exploradas em experiências na Terra. A falta de detecção, no entanto, eliminaria uma grande variedade de massas potenciais para o áxion e tornaria irrelevantes a maioria das pesquisas atuais de matéria escura.
O problema é que, para que os raios gama sejam suficientemente brilhantes para serem detectados, a supernova tem de estar próxima – dentro da nossa galáxia, a By way of Láctea, ou de uma das suas galáxias satélites – e as estrelas próximas explodem apenas em média a cada poucas décadas. A última supernova próxima ocorreu em 1987, na Grande Nuvem de Magalhães, um dos satélites da By way of Láctea. Na época, um telescópio de raios gama extinto, o Photo voltaic Most Mission, apontava na direção da supernova, mas não period sensível o suficiente para detectar a intensidade prevista dos raios gama, de acordo com a análise da equipe da UC Berkeley. .
“Se víssemos uma supernova, como a supernova 1987A, com um telescópio moderno de raios gama, seríamos capazes de detectar ou descartar este axion QCD, este áxion mais interessante, em grande parte do seu espaço de parâmetros – essencialmente todo o parâmetro espaço que não pode ser investigado em laboratório, e grande parte do espaço de parâmetros que também pode ser sondado em laboratório”, disse Benjamin Safdi, professor associado de física da UC Berkeley e autor sênior de um artigo que foi publicado on-line 19 de novembro na revista Cartas de revisão física. “E tudo aconteceria em 10 segundos.”
Benjamin Safdi, Universidade da Califórnia em Berkeley
Os investigadores estão ansiosos, no entanto, porque quando a tão esperada supernova surgir no universo próximo, não estaremos prontos para ver os raios gama produzidos pelos áxions. Os cientistas estão agora a conversar com colegas que constroem telescópios de raios gama para avaliar a viabilidade de lançar um ou uma frota de tais telescópios para cobrir 100% do céu 24 horas por dia, 7 dias por semana e ter a certeza de captar qualquer explosão de raios gama. Eles até propuseram um nome para sua constelação de satélites de raios gama de céu completo – o GALactic AXion Instrument for Supernova, ou GALAXIS.
“Acho que todos nós neste artigo estamos estressados com a possibilidade de uma próxima supernova antes de termos a instrumentação certa”, disse Safdi. “Seria uma pena se uma supernova explodisse amanhã e perdêssemos a oportunidade de detectar o áxion – ele pode não voltar nos próximos 50 anos.”
Os coautores de Safdi são o estudante de graduação Yujin Park e os pós-doutorados Claudio Andrea Manzari e Inbar Savoray. Todos os quatro são membros do departamento de física da UC Berkeley e do Grupo de Física Teórica do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.
Axiões QCD
As pesquisas por matéria escura originalmente se concentraram em objetos de halo compactos massivos e fracos (MACHOs), teoricamente espalhados por toda a nossa galáxia e cosmos, mas quando eles não se materializaram, os físicos começaram a procurar por partículas elementares que teoricamente estão ao nosso redor e deveriam ser detectáveis. em laboratórios ligados à Terra. Estas partículas massivas de interação fraca (WIMPs) também não apareceram. O melhor candidato atual para a matéria escura é o áxion, uma partícula que se enquadra perfeitamente no modelo padrão da física e resolve vários outros enigmas pendentes na física de partículas. Os áxions também se enquadram perfeitamente na teoria das cordas, uma hipótese sobre a geometria subjacente do universo, e podem ser capazes de unificar a gravidade, que explica as interações em escalas cósmicas, com a teoria da mecânica quântica, que descreve o infinitesimal.
Cortesia de Benjamin Safdi
“Parece quase impossível ter uma teoria consistente da gravidade combinada com a mecânica quântica que não tenha partículas como o áxion”, disse Safdi.
O candidato mais forte para um áxion, chamado de áxion QCD – em homenagem à teoria reinante da força forte, a cromodinâmica quântica – teoricamente interage com toda a matéria, embora fracamente, através das quatro forças da natureza: gravidade, eletromagnetismo, a força forte, que mantém os átomos juntos, e a força fraca, que explica a dissolução dos átomos. Uma consequência é que, num campo magnético forte, um áxion deveria ocasionalmente transformar-se numa onda electromagnética, ou fotão. O áxion é distintamente diferente de outra partícula leve e de interação fraca, o neutrino, que só interage através da gravidade e da força fraca e ignora totalmente a força eletromagnética.
Experimentos de bancada de laboratório – como o ALPHA Consortium (Axion Longitudinal Plasma HAloscópio), DMradio e ABRACADABRA, todos envolvendo pesquisadores da UC Berkeley – empregam cavidades compactas que, como um diapasão, ressoam e amplificam o fraco campo eletromagnético ou fóton produzido quando um áxion de baixa massa se transforma na presença de um forte campo magnético.
Alternativamente, os astrofísicos propuseram procurar áxions produzidos dentro de estrelas de nêutrons imediatamente após o colapso do núcleo de uma supernova, como 1987A. Até agora, no entanto, eles se concentraram principalmente na detecção de raios gama provenientes da lenta transformação desses áxions em fótons nos campos magnéticos das galáxias. Safdi e seus colegas perceberam que esse processo não é muito eficiente na produção de raios gama, ou pelo menos não o suficiente para ser detectado na Terra.
Em vez disso, exploraram a produção de raios gama por áxions nos fortes campos magnéticos em torno da própria estrela que gerou os áxions. Esse processo, mostraram simulações de supercomputadores, cria de forma muito eficiente uma explosão de raios gama que depende da massa do áxion, e a explosão deveria ocorrer simultaneamente com uma explosão de neutrinos do inside da estrela de nêutrons quente. Essa explosão de áxions, no entanto, dura apenas 10 segundos após a formação da estrela de nêutrons – depois disso, a taxa de produção cai drasticamente – embora horas antes das camadas externas da estrela explodirem.
“Isso realmente nos levou a pensar nas estrelas de nêutrons como alvos ideais para a busca de áxions como laboratórios de axions”, disse Safdi. “As estrelas de nêutrons têm muitas coisas a seu favor. São objetos extremamente quentes. Eles também hospedam campos magnéticos muito fortes. Os campos magnéticos mais fortes do nosso universo são encontrados em torno de estrelas de nêutrons, como os magnetares, que possuem campos magnéticos dezenas de bilhões de vezes mais fortes do que qualquer coisa que possamos construir em laboratório. Isso ajuda a converter esses áxions em sinais observáveis.”
Há dois anos, Safdi e seus colegas estabeleceram o melhor limite superior para a massa do áxion QCD em cerca de 16 milhões de elétron-volts, ou cerca de 32 vezes menos que a massa do elétron. Isto foi baseado na taxa de resfriamento das estrelas de nêutrons, que esfriariam mais rápido se os áxions fossem produzidos junto com os neutrinos dentro desses corpos compactos e quentes.
No artigo atual, a equipe da UC Berkeley não apenas descreve a produção de raios gama após o colapso do núcleo de uma estrela de nêutrons, mas também usa a não detecção de raios gama da supernova 1987A para colocar as melhores restrições até agora na massa do axion. -partículas semelhantes, que diferem dos áxions QCD porque não interagem por meio da força forte.
Eles prevêem que uma detecção de raios gama lhes permitiria identificar a massa do axion QCD se estiver acima de 50 microelétron-volts (micro-eV ou μeV), ou cerca de um 10 bilionésimo da massa do elétron. Uma única detecção poderia redirecionar os experimentos existentes para confirmar a massa do áxion, disse Safdi. Embora uma frota de telescópios de raios gama dedicados seja a melhor opção para detectar raios gama de uma supernova próxima, um golpe de sorte com o Fermi seria ainda melhor.
“O melhor cenário para os áxions é que o Fermi capte uma supernova. Só que an opportunity de isso acontecer é pequena”, disse Safdi. “Mas se Fermi o visse, seríamos capazes de medir a sua massa. Poderíamos medir sua força de interação. Seríamos capazes de determinar tudo o que precisamos saber sobre o áxion e ficaríamos incrivelmente confiantes no sinal, porque não existe matéria comum que possa criar tal evento.”
A pesquisa foi apoiada por fundos do Departamento de Energia dos EUA.
