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Os raios X em torno do Magnífico 7 podem ser traços da partícula procurada
Mesmo que o excesso de raios-X acabe não sendo axions ou matéria escura, ele ainda pode revelar uma nova física.
Por Laboratório Nacional Lawrence Berkeley - 17/01/2021


Uma representação artística do telescópio espacial XMM-Newton (missão multi-espelho de raios X). Um estudo de dados de arquivo dos telescópios espaciais de raios-X XMM-Newton e Chandra encontrou evidências de altos níveis de emissão de raios-X das próximas estrelas de nêutrons Magnificent Seven, que podem surgir de partículas hipotéticas conhecidas como axions. Crédito: D. Ducros; ESA / XMM-Newton, CC BY-SA 3.0 IGO

Um novo estudo, liderado por um físico teórico do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (Berkeley Lab), sugere que partículas nunca antes observadas chamadas axions podem ser a fonte de emissões inexplicáveis ​​de raios-X de alta energia em torno de um grupo de estrelas de nêutrons.

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

Os axions também podem constituir matéria escura - a matéria misteriosa que representa cerca de 85% da massa total do universo, mas até agora só 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 nêutrons , conhecida como Magnificent 7, forneceu um excelente teste para a possível presença de axions, já que essas estrelas possuem campos magnéticos poderosos, estão relativamente próximas - dentro de centenas de anos-luz - e só deveriam produzir baixas - raios X de energia e luz ultravioleta.

"Eles são conhecidos por serem muito 'enfadonhos'" e, neste caso, é uma coisa boa, disse Benjamin Safdi, um Divisional Fellow no grupo de teoria da Divisão de Física do Laboratório de Berkeley que liderou um estudo, publicado em 12 de janeiro na revista Physical Review Cartas , detalhando a explicação do áxion 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 nêutrons fossem de um tipo conhecido como pulsares, elas teriam uma superfície ativa emitindo radiação em diferentes comprimentos de onda. Essa radiação apareceria em todo o espectro eletromagnético, 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 rádio foi detectado. Outras explicações astrofísicas 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 nêutrons, isso provavelmente teria aparecido nos conjuntos de dados que os pesquisadores estão usando de dois satélites espaciais: o XMM-Newton da Agência Espacial Europeia e os telescópios de raios-X Chandra da NASA.
 
Safdi e colaboradores dizem que ainda é bem possível que uma nova explicação não-axion apareça para explicar o excesso de raios-X observado, embora permaneçam esperançosos de que tal explicação estará fora do Modelo Padrão de física de partículas, e que novo terreno - e experimentos baseados no espaço irão confirmar a origem do sinal de raios-X de alta energia.

"Estamos bastante confiantes de que esse excesso existe, e muito confiantes de que há algo novo entre esse excesso", disse Safdi. "Se tivéssemos 100% de certeza de que o que estamos vendo é uma nova partícula, isso seria enorme. Isso seria revolucionário na física." Mesmo que a descoberta não esteja associada a uma nova partícula 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 pós-doutorado da Universidade de Minnesota que colaborou no estudo, disse: "Não estamos afirmando que fizemos a descoberta do axião ainda, mas estamos dizendo que os fótons extras de raios-X podem ser explicados por axions. É uma descoberta emocionante do excesso de fótons de raios-X, e é uma possibilidade excitante que já é consistente 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 abundância no interior das estrelas. Partículas não carregadas chamadas nêutrons se movem dentro de estrelas de nêutrons, ocasionalmente interagindo espalhando-se umas nas outras e liberando um neutrino ou possivelmente um axião. O processo de emissão de neutrinos é a maneira dominante pela qual as estrelas de nêutrons 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 Magníficas - bilhões de vezes mais fortes do que os campos magnéticos que podem ser produzidos na Terra - poderia fazer com que os áxions existentes se convertessem em luz.

Estrelas de nêutrons são objetos incrivelmente exóticos, e Safdi observou que muitos modelagem, análise de dados e trabalho teórico foram incluídos 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.

"Há muito processamento e análise de dados envolvidos nisso. É necessário modelar o interior de uma estrela de nêutrons para prever quantos axions devem ser produzidos dentro dessa estrela."

Safdi observou que, como próximo passo nesta pesquisa, as estrelas anãs brancas seriam um lugar privilegiado para a busca de axions porque também têm campos magnéticos muito fortes e espera-se que sejam "ambientes livres de raios-X".

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

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

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

Os axions têm recebido mais atenção à medida que uma sucessão de experimentos não consegue detectar sinais do WIMP (partícula massiva de interação fraca), outro candidato promissor à matéria escura. E a imagem do axion não é tão simples - poderia ser um álbum de família.

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

 

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