Uma das maiores ideias da física é a possibilidade de que todas as forças conhecidas, partículas, e as interações podem ser conectadas em uma estrutura. A teoria das cordas é sem dúvida a proposta mais conhecida para uma "teoria de tudo" que uniria nossa compreensão do universo físico.

Apesar de haver muitas versões diferentes da teoria das cordas circulando na comunidade da física por décadas, houve muito poucos testes experimentais. Astrônomos usando o Observatório de Raios-X Chandra da NASA, Contudo, já deram um passo significativo nesta área.

Ao pesquisar aglomerados de galáxias, as maiores estruturas do universo mantidas juntas pela gravidade, os pesquisadores foram capazes de caçar uma partícula específica que muitos modelos da teoria das cordas preveem existir. Embora a não detecção resultante não exclua totalmente a teoria das cordas, é um golpe para certos modelos dessa família de ideias.

"Até recentemente, eu não tinha ideia de quanto os astrônomos de raios-X trazem para a mesa quando se trata da teoria das cordas, mas podemos desempenhar um papel importante, "disse Christopher Reynolds, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, quem conduziu o estudo. "Se essas partículas forem eventualmente detectadas, isso mudará a física para sempre."

A partícula que Reynolds e seus colegas estavam procurando é chamada de "axion". Essas partículas ainda não detectadas devem ter massas extraordinariamente baixas. Os cientistas não sabem a faixa precisa de massa, mas muitas teorias apresentam massas axion que variam de cerca de um milionésimo da massa de um elétron até a massa zero. Alguns cientistas pensam que os axions podem explicar o mistério da matéria escura, que é responsável pela vasta maioria da matéria no universo.

Uma propriedade incomum dessas partículas de massa ultrabaixa seria que elas às vezes podem se converter em fótons (isto é, pacotes de luz) à medida que passam pelos campos magnéticos. O oposto também pode ser verdadeiro:os fótons também podem ser convertidos em axions sob certas condições. A frequência com que essa mudança ocorre depende da facilidade com que eles fazem essa conversão, em outras palavras, em sua "conversibilidade".

Alguns cientistas propuseram a existência de uma classe mais ampla de partículas de massa ultrabaixa com propriedades semelhantes às dos áxions. Os eixos teriam um único valor de conversibilidade em cada massa, mas "partículas semelhantes a axions" teriam uma faixa de conversibilidade na mesma massa.

"Embora possa parecer um tiro no escuro procurar por partículas minúsculas como axions em estruturas gigantescas como aglomerados de galáxias, eles são realmente ótimos lugares para procurar, "disse o co-autor David Marsh, da Universidade de Estocolmo, na Suécia." Os aglomerados de galáxias contêm campos magnéticos em distâncias gigantes, e também costumam conter fontes de raios-X brilhantes. Juntas, essas propriedades aumentam as chances de que a conversão de partículas semelhantes a axions seja detectável. "

Para procurar sinais de conversão por partículas semelhantes a axiões, a equipe de astrônomos examinou durante cinco dias as observações do Chandra de raios-X do material caindo em direção ao buraco negro supermassivo no centro do aglomerado de galáxias Perseus. Eles estudaram o espectro Chandra, ou a quantidade de emissão de raios-X observada em diferentes energias, desta fonte. A longa observação e a fonte brilhante de raios-X deram um espectro com sensibilidade suficiente para mostrar distorções que os cientistas esperavam se partículas semelhantes a axion estivessem presentes.

A falta de detecção de tais distorções permitiu aos pesquisadores descartar a presença da maioria dos tipos de partículas semelhantes a axions na faixa de massa a que suas observações eram sensíveis, abaixo de cerca de um milionésimo de um bilionésimo da massa de um elétron.

“Nossa pesquisa não descarta a existência dessas partículas, mas definitivamente não ajuda no caso deles, "disse a co-autora Helen Russell, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido." Essas restrições se aprofundam na gama de propriedades sugeridas pela teoria das cordas, e pode ajudar os teóricos das cordas a eliminar suas teorias. "

O resultado mais recente foi cerca de três a quatro vezes mais sensível do que a melhor pesquisa anterior por partículas semelhantes a axions, que veio de observações do Chandra do buraco negro supermassivo em M87. Este estudo do Perseus também é cerca de cem vezes mais poderoso do que as medições atuais que podem ser realizadas em laboratórios aqui na Terra para a gama de massas que eles consideraram.

Claramente, uma possível interpretação deste trabalho é que não existem partículas semelhantes a axions. Outra explicação é que as partículas têm valores de convertibilidade ainda mais baixos do que o limite de detecção desta observação, e mais baixo do que alguns físicos de partículas esperavam. Eles também podem ter massas maiores do que as sondadas com os dados do Chandra.

Um artigo descrevendo esses resultados apareceu em 10 de fevereiro, Edição de 2020 da Astrophysical Journal .