Um novo estudo, liderado por um fa­sico tea³rico do Laborata³rio Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (Berkeley Lab), sugere quepartículas nunca antes observadas chamadas axions podem ser a fonte de emissaµes inexplica¡veis ​​de raios-X de alta energia em torno de um grupo de estrelas de naªutrons.

Teorizado pela primeira vez na década de 1970 como parte de uma solução para um problema fundamental de física departículas, espera-se que os axions sejam produzidos no núcleo das estrelas e convertidos empartículas de luz, chamadas fa³tons, na presença de um campo magnanãtico.

Os axions também podem constituir matéria escura - a matéria misteriosa que representa cerca de 85% da massa total do universo, mas atéagora são vimos seus efeitos gravitacionais na matéria comum. Mesmo que o excesso de raios-X acabe não sendo axions ou matéria escura, ele ainda pode revelar uma nova física.

Uma coleção de estrelas de naªutrons , conhecida como Magnificent 7, forneceu um excelente teste para a possí­vel presença de axions, já que essas estrelas possuem campos magnanãticos poderosos, estãorelativamente próximas - dentro de centenas de anos-luz - e são deveriam produzir baixas - raios X de energia e luz ultravioleta.

"Eles são conhecidos por serem muito 'enfadonhos'" e, neste caso, éuma coisa boa, disse Benjamin Safdi, um Divisional Fellow no grupo de teoria da Divisão de Fa­sica do Laborata³rio de Berkeley que liderou um estudo, publicado em 12 de janeiro na revista Physical Review Cartas , detalhando a explicação do a¡xion para o excesso.

Christopher Dessert, afiliado da Berkeley Lab Physics Division, contribuiu fortemente para o estudo, que também teve a participação de pesquisadores da UC Berkeley, da University of Michigan, da Princeton University e da University of Minnesota.

Se as estrelas de naªutrons fossem de um tipo conhecido como pulsares, elas teriam umasuperfÍcie ativa emitindo radiação em diferentes comprimentos de onda. Essa radiação apareceria em todo o espectro eletromagnanãtico, Safdi observou, e poderia abafar a assinatura de raios-X que os pesquisadores encontraram, ou produziria sinais de radiofrequência. Mas o Magnificent 7 não são pulsares, e nenhum sinal de ra¡dio foi detectado. Outras explicações astrofa­sicas comuns também não parecem se sustentar nas observações, disse Safdi.

Se o excesso de raios-X detectado em torno do Magnificent 7 for gerado a partir de um objeto ou objetos escondidos atrás das estrelas de naªutrons, isso provavelmente teria aparecido nos conjuntos de dados que os pesquisadores estãousando de dois satanãlites espaciais: o XMM-Newton da Agência Espacial Europeia e os telesca³pios de raios-X Chandra da NASA.

Safdi e colaboradores dizem que ainda bem possí­vel que uma nova explicação não-axion aparea§a para explicar o excesso de raios-X observado, embora permanea§am esperana§osos de que tal explicação estara¡ fora do Modelo Padra£o de física departículas, e que novo terreno - e experimentos baseados no espaço ira£o confirmar a origem do sinal de raios-X de alta energia.

"Estamos bastante confiantes de que esse excesso existe, e muito confiantes de que hálgo novo entre esse excesso", disse Safdi. "Se tivanãssemos 100% de certeza de que o que estamos vendo éuma nova parta­cula, isso seria enorme. Isso seria revoluciona¡rio na física." Mesmo que a descoberta não esteja associada a uma nova parta­cula ou matéria escura, ele disse: "Isso nos diria muito mais sobre o nosso universo e haveria muito o que aprender."

Raymond Co, um pesquisador de pa³s-doutorado da Universidade de Minnesota que colaborou no estudo, disse: "Nãoestamos afirmando que fizemos a descoberta do axia£o ainda, mas estamos dizendo que os fa³tons extras de raios-X podem ser explicados por axions. a‰ uma descoberta emocionante do excesso de fa³tons de raios-X, e éuma possibilidade excitante que já éconsistente com nossa interpretação dos axions. "

Se axions existem, espera-se que eles se comportem como neutrinos em uma estrela, já que ambos teriam massas muito pequenas e interagiriam muito raramente e fracamente com outras matérias. Eles poderiam ser produzidos em abunda¢ncia no interior das estrelas. Partí­culas não carregadas chamadas naªutrons se movem dentro de estrelas de naªutrons, ocasionalmente interagindo espalhando-se umas nas outras e liberando um neutrino ou possivelmente um axia£o. O processo de emissão de neutrinos éa maneira dominante pela qual as estrelas de naªutrons se resfriam com o tempo.

Como os neutrinos, os axions seriam capazes de viajar para fora da estrela. O campo magnético incrivelmente forte em torno das 7 estrelas Magna­ficas - bilhaµes de vezes mais fortes do que os campos magnanãticos que podem ser produzidos na Terra - poderia fazer com que os a¡xions existentes se convertessem em luz.

Estrelas de naªutrons são objetos incrivelmente exa³ticos, e Safdi observou que muitos modelagem, análise de dados e trabalho tea³rico foram inclua­dos no estudo mais recente. Os pesquisadores usaram intensamente um banco de supercomputadores conhecido como Lawrencium Cluster no Berkeley Lab no último trabalho.

Parte desse trabalho foi conduzido na Universidade de Michigan, onde Safdi trabalhou anteriormente. "Sem o trabalho de supercomputação de alto desempenho em Michigan e Berkeley, nada disso teria sido possí­vel", disse ele.

"Ha¡ muito processamento e análise de dados envolvidos nisso. a‰ necessa¡rio modelar o interior de uma estrela de naªutrons para prever quantos axions devem ser produzidos dentro dessa estrela."

Safdi observou que, como pra³ximo passo nesta pesquisa, as estrelas ana£s brancas seriam um lugar privilegiado para a busca de axions porque também tem campos magnanãticos muito fortes e espera-se que sejam "ambientes livres de raios-X".

“Comea§a a ser muito convincente o fato de ser algo além do modelo padrãose observarmos um excesso de raios-X ali também”, disse ele.

Os pesquisadores também podem recrutar outro telesca³pio espacial de raios-X, chamado NuStar, para ajudar a resolver o mistério do excesso de raios-X.

Safdi disse que também estãoanimado com experimentos terrestres como o CAST no CERN, que opera como um telesca³pio solar para detectar axions convertidos em raios X por um a­ma£ forte, e o ALPS II na Alemanha, que usaria um poderoso campo magnético para faz com que axions se transformem empartículas de luz em um lado da barreira conforme a luz do laser atinge o outro lado da barreira.

Os axions tem recebido mais atenção a  medida que uma sucessão de experimentos não consegue detectar sinais do WIMP (parta­cula massiva de interação fraca), outro candidato promissor a  matéria escura. E a imagem do axion não étão simples - poderia ser um Álbum de fama­lia.

Pode haver centenas departículas semelhantes a axions , ou ALPs, que constituem a matéria escura, e a teoria das cordas - uma teoria candidata para descrever as forças do universo - mantanãm em aberto a possí­vel existaªncia de muitos tipos de ALPs.