Uma das maiores questões no mundo científico atualmente gira em torno de algo que não podemos ver e que também não podemos detectar diretamente de nenhuma outra forma. Com base nos movimentos das galáxias, os astrônomos sabem que deve haver algo com massa significativa afetando a sua gravidade, mas não sabem o que é essa substância — ou mesmo se é uma substância. Eles chamam essa força desconhecida de matéria escura.
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Os cientistas normalmente tentam estudar a matéria escura observando o universo em grande escala. A ideia é que, usando instrumentos como o telescópio espacial Euclides, eles possam observar os movimentos de galáxias distantes e, a partir desses movimentos, calcular a massa e descobrir quanta matéria escura elas contêm.
No entanto, astrofísicos da Universidade da Califórnia, Berkeley, têm uma abordagem diferente na qual estão trabalhando. Publicado recentemente na revista Physical Review Letters, um artigo propõe o uso de uma supernova próxima para estudar detalhadamente a matéria escura.
Uma supernova é um evento extremamente dramático, quando uma estrela chega ao fim da sua vida e fica sem combustível. Depois de consumir todo o seu combustível, a estrela colapsa até formar um pequeno núcleo e depois explode em uma enorme explosão de energia. Esse derramamento de energia pode ser a pista para a compreensão da matéria escura, à medida que os cientistas procuram nestas condições extremas evidências de um tipo teórico de partícula de matéria escura chamada áxion.
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Encontrando uma supernova
Os cientistas têm procurado por áxions desde que foram teorizados na década de 1970. Hoje eles são de maior interesse porque representam a possibilidade mais promissora de uma “partícula de matéria escura”.
Quando uma estrela se transforma em supernova, produziria um grande número de áxions, por isso os autores do artigo propõem procurar uma supernova próxima para tentar observar a produção desses áxions usando um poderoso telescópio de raios gama. Uma supernova anterior, chamada supernova 1987A, ocorreu em uma galáxia satélite da Via Láctea chamada Grande Nuvem de Magalhães. Um telescópio de raios gama estava observando a supernova, mas não era poderoso o suficiente para capturar o que procuravam.
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“Se víssemos uma supernova, como a supernova 1987A, com um moderno telescópio 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 sondado em laboratório, e grande parte do espaço de parâmetros que também pode ser sondado em laboratório”, explicou um dos autores do artigo, Benjamin Safdi, da Universidade da Califórnia, Berkeley. “E tudo aconteceria em 10 segundos.”
O problema é que as supernovas são difíceis de prever. Os cientistas podem dizer quando uma estrela está se aproximando do status de supernova, mas determinar o momento exato em que o evento ocorrerá é quase impossível.
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“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.”
Matéria escura e áxions
Embora ninguém ainda tenha observado os áxions, há boas razões para pensar que eles devem existir. “Parece quase impossível ter uma teoria consistente da gravidade combinada com a mecânica quântica que não tenha partículas como o áxion”, disse Safdi.
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O tipo no qual os pesquisadores estão interessados é chamado de axion QCD, que recebeu o nome de uma força chamada cromodinâmica quântica. No artigo, os pesquisadores propõem que os raios gama seriam produzidos durante um evento de supernova, à medida que os áxions escapam e são convertidos em raios de alta energia.
Os investigadores usaram supercomputadores para modelar o que aconteceria durante uma supernova, descobrindo que deveria haver uma breve mas significativa explosão de raios gama durante apenas 10 segundos à medida que a estrela se transformava num tipo chamado estrela de neutrões. Eles foram capazes de calcular a massa que os áxions teriam que ter para serem detectáveis, ajudando-os a estabelecer um limite sobre o que podem esperar da detecção dessas partículas.
Eles esperam usar um poderoso telescópio de raios gama que está atualmente em órbita, chamado Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi, para observar uma futura supernova.
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“O melhor cenário para os áxions é que o Fermi capte uma supernova. Só que a chance de isso acontecer é pequena”, disse Safdi. “Mas se Fermi o visse, seríamos capazes de medir sua massa. Seríamos capazes de medir sua força de interação. Seríamos capazes de determinar tudo o que precisamos saber sobre o áxion, e seríamos incrivelmente confiante no sinal porque não há matéria comum que possa criar tal evento.”