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sexta-feira, maio 2, 2025

Direcionando galáxias inteiras na pesquisa de axion


&bala; Física 18, 93

Duas equipes independentes procuraram axiões usando observações de raios-X de galáxias inteiras, definindo algumas das restrições mais rigorosas até o momento das propriedades desses candidatos à matéria escura.

Raios-X: NASA; Cxc; Jhu/d. Strickland. Óptico: NASA; ESA; Stsci; AURA; A equipe do Hubble Heritage. IR: NASA; JPL-Caltech; Univ. de Ariz./c. Engelbracht

Esta imagem composta mostra o Galaxy M82 Starburst M82 nos comprimentos de onda (azul), óptico (laranja) e infravermelho (vermelho).

Os axiões são um dos ingressos mais quentes no momento para quem procura ir além do modelo padrão de física de partículas. Essas partículas hipotéticas podem oferecer uma solução para problemas com a teoria da força forte, e podem dar provas para a teoria das cordas. Os axiões também podem explicar a matéria escura misteriosa. Os pesquisadores estão procurando sinais de axion vindo de uma série de fontes que incluem colisões de partículas, fortes campos magnéticos e estrelas próximas. Dois grupos separados de caça de axiões transformaram seu olhar para uma nova fonte em potencial: Galáxias Starburst (1Assim, 2). Esses viveiros estelares gigantes podem ser as maiores fábricas de axion do universo. Nenhum sinal foi encontrado nos dados do telescópio de raios-X usado por ambos os grupos, mas os pesquisadores esperam estender sua pesquisa a outros alvos galácticos.

O axião foi originalmente proposto no closing da década de 1970 como uma maneira de resolver o chamado forteCp problema. Mas, ao longo dos anos, os teóricos previram outros tipos de axiões. Certos modelos de matéria escura, por exemplo, assumem que uma partícula semelhante a um axião medeia interações entre outras partículas de matéria escura. E alguns modelos na teoria das cordas prevêem a existência de uma infinidade de axiões, cada um com uma massa diferente. “Os axiões são alguns dos melhores candidatos motivados no momento para a física além do modelo padrão”, diz Benjamin Safdi, da Universidade da Califórnia, Berkeley.

Muitos experimentos caçaram axiões. Os pesquisadores tentaram criar sinais de axion no laboratório usando ímãs, pois alguns modelos assumem que um axion se converterá em um fóton (e vice -versa) em um forte campo magnético. Outras experiências tiveram dados de colleirceiro de partículas para dicas de axiões. No entanto, acredita -se que os axiões tenham interações fracas com outras partículas conhecidas. “Isso significa que você precisa esmagar muitas partículas um contra o outro, para ter an opportunity de observar algo”, diz Edoardo Vitagliano, da Universidade de Pádua, na Itália.

É difícil gerar um esmagamento multipartículas em um laboratório, portanto, uma alternativa fashionable é estudar fontes astrofísicas onde as partículas estão constantemente colidindo em alta energia. Uma das primeiras pesquisas de axion direcionou o sol, mas o trabalho subsequente analisou outras estrelas em nosso bairro cósmico (ver Ponto de vista: Física de partículas no céu). A idéia aqui é que os axiões se formariam em colisões de alta energia dentro do núcleo estelar e depois transmitiriam para o espaço circundante-assim como os neutrinos. “Pensamos nas estrelas como fábricas de axion”, diz Safdi. “O sol é a fábrica mais próxima e, portanto, a mais simples para lidar, mas talvez haja fontes melhores por aí.”

Os modelos sugerem que estrelas mais maciças devem produzir axiões a uma taxa mais alta do que as estrelas de massa menor, como o nosso Sol. Os interiores dessas estrelas são mais quentes, o que significa que existem mais fótons térmicos de alta energia que podem se converter em axiões através de uma interação eletromagnética chamada Primakoff. Trabalhos anteriores procuraram evidências de axion na luz proveniente de Betelgeuse, uma estrela massiva próxima (3). Safdi e seus colegas realizaram uma pesquisa semelhante em aglomerados estelares próximos que hospedam estrelas maciças (4). Agora ele e seu estudante de graduação Orion Ning estenderam essa estratégia de pesquisa a uma galáxia inteira com bilhões de estrelas (1). Em um estudo separado, Vitagliano e seus colegas realizam uma análise semelhante em toda a galáxia, mas assumem um axião muito mais pesado (2).

“Levamos essa analogia de fábrica ao extremo”, diz Safdi. Para calcular a saída de axião de uma galáxia inteira, os pesquisadores precisavam de um modelo para cada tipo de estrela na galáxia, com base em sua massa e evolução. As estrelas que pesam mais de 20 vezes a massa do sol devem ser as mais brilhantes da emissão de axiões, pois são capazes de atingir temperaturas internas mais altas ao queimar hélio e outros elementos pesados. Mas essas estrelas não vivem por muito tempo, então há um pouco de troca entre missa e vida, explica Vitagliano.

Com essa troca em mente, o melhor lugar para encontrar muitas estrelas jovens e massivas é a chamada galáxia Starburst, onde a formação de estrelas é galopante. A galáxia do charuto, M82, é uma dessas galáxias. “O M82 é muito bem estudado e entre as galáxias Starburst, está por perto”, diz Vitagliano. Ambas as equipes consideraram o M82, enquanto Safdi e Ning também analisaram dados para M87, uma galáxia mais distante localizada em um cluster de galáxia com campos magnéticos fortes.

NASA; JPL-Caltech

Conceito do artista do telescópio Nustar. O módulo de óptica de raios X do satélite (à direita) é separado dos detectores (esquerda) por um mastro de 10 m que foi implantado após o lançamento.

Os pesquisadores procuraram assinaturas de axion nos dados de raios-X da matriz de telescópio espectroscópica nuclear (NUSTAR). Lançado em 2012, este telescópio da NASA observa o céu na faixa de energia de 3 a 79 kev e alcança a alta resolução espacial graças a um mastro de 10 m que permite que a óptica de foco seja separada do detector. As equipes analisaram dados de arquivo em M82 e M87, procurando distorções espectrais que surgiriam de axiões produzidas nas galáxias.

Embora ambas as equipes utilizem os mesmos dados de NuStar, elas não estão procurando o mesmo tipo de axion. Safdi e Ning assumem um axião leve (com uma massa menor que 10-9ev/c2), que poderia se converter em um fóton de raio-X à medida que passa por campos magnéticos galácticos. Acontece que as galáxias Starburst têm fortes campos magnéticos e, portanto, devem ser relativamente eficientes na conversão de sua produção de axions em um sinal detectável de fótons.

Por outro lado, Vitagliano e colegas consideram axiões pesadas (cerca de 105ev/c2), que são enormes demais para se converter em fótons através do mesmo processo induzido por campo magnético. Em vez disso, espera -se que esses axiões maciços sejam instáveis, decaindo espontaneamente em um tempo relativamente curto em fótons observáveis. Nos casos de eixos leves e pesados, a assinatura é um excesso de fótons de raios-X provenientes da direção da galáxia Starburst. “Se essas partículas existirem, elas ofuscariam o que você já observaria nos raios X”, diz Vitagliano. Nenhum sinal foi visto por nenhum dos occasions, permitindo que eles colocassem novas restrições aos axiões em suas respectivas faixas de massa.

“Sabe -se há muitos anos que, se houver axiões, os núcleos quentes de estrelas devem funcionar essencialmente como fábricas de axion”, diz Ciaran O’Hare, especialista em Axion O’Hare, da Universidade de Sydney. Ele diz que Safdi e Vitagliano e seus colegas testaram essa premissa reaproveitando observações astronômicas. “Estamos obtendo novas idéias sobre os axiões, procurando por dados coletados por astrônomos interessados ​​nessas galáxias por razões totalmente diferentes”. Mas as galáxias são ambientes astrofísicos complicados, diz Samuel Witte, um teórico das astropartículas da Universidade de Oxford, Reino Unido, então grande parte do esforço atual é dedicada à modelagem da produção de axiões e à caracterização das incertezas associadas a observações astronômicas e previsões teóricas.

No futuro, as equipes planejam analisar um conjunto mais amplo de mecanismos de produção de axionos, como interações eletrônicas ou transições nucleares. Pode acontecer que outras galáxias sejam fábricas ainda melhores. “E, esperançosamente, um desses tempos, encontraremos algo, mas não tenho idéia de onde estará neste espaço de parâmetros muito amplo”, diz Safdi.

–Michael Schirber

Michael Schirber é um editor correspondente para Revista de Física Sediada em Lyon, França.

Referências

  1. O. Ning e Br Safdi, “Sensibilidade principal do axion-fóton com as observações de NuStar de M82 e M87”. Phys. Rev. Lett. 134171003 (2025).
  2. FR Candón et al.“Nustar limita -se em partículas de decomposição radiativa do M82”. Phys. Rev. Lett. 134171004 (2025).
  3. M. Xiao et al.“Restrições de betelgeuse no acoplamento entre partículas e elétrons semelhantes a axiões”. Phys. Rev. d 106123019 (2022).
  4. C. Sobremesa et al.“Raios-X procuram axiões de clusters tremendous estrelas”. Phys. Rev. Lett. 125261102 (2020).

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