As fusões de estrelas de nêutrons são um tesouro para novos sinais físicos, com implicações para determinar a verdadeira natureza da matéria escura, de acordo com uma pesquisa da Universidade de Washington em St.



Em 17 de agosto de 2017, o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) nos Estados Unidos e o Virgo, um detector na Itália, detectaram ondas gravitacionais da colisão de duas estrelas de nêutrons. Pela primeira vez, este evento astronómico não foi apenas ouvido em ondas gravitacionais, mas também visto na luz por dezenas de telescópios no solo e no espaço.

O físico Bhupal Dev, do Arts &Sciences, usou observações desta fusão de estrelas de nêutrons – um evento identificado nos círculos astronômicos como GW170817 – para derivar novas restrições em partículas semelhantes a áxions. Estas partículas hipotéticas não foram observadas diretamente, mas aparecem em muitas extensões do modelo padrão da física.

Áxions e partículas semelhantes a áxions são os principais candidatos a compor parte ou toda a matéria “ausente”, ou matéria escura, do universo que os cientistas ainda não foram capazes de explicar. No mínimo, estas partículas que interagem debilmente podem servir como uma espécie de portal, ligando o setor visível sobre o qual os humanos conhecem muito ao desconhecido setor escuro do universo.

"Temos boas razões para suspeitar que uma nova física além do modelo padrão pode estar à espreita", disse Dev, primeiro autor do estudo na revista Physical Review Letters. e membro do corpo docente do McDonnell Center for the Space Sciences da universidade.

Quando duas estrelas de nêutrons se fundem, um remanescente quente e denso é formado por um breve período de tempo. Este remanescente é um terreno fértil ideal para a produção de partículas exóticas, disse Dev. "O remanescente fica muito mais quente do que as estrelas individuais durante cerca de um segundo antes de se transformar numa estrela de neutrões maior ou num buraco negro, dependendo das massas iniciais," disse ele.

Estas novas partículas escapam silenciosamente dos detritos da colisão e, longe da sua fonte, podem decair em partículas conhecidas, normalmente fotões. Dev e sua equipe - incluindo o ex-aluno da WashU Steven Harris (agora bolsista NP3M na Universidade de Indiana), bem como Jean-François Fortin, Kuver Sinha e Yongchao Zhang - mostraram que essas partículas escapadas dão origem a sinais eletromagnéticos únicos que podem ser detectados por telescópios de raios gama, como o Fermi-LAT da NASA.

A equipe de pesquisa analisou informações espectrais e temporais desses sinais eletromagnéticos e determinou que eles poderiam distinguir os sinais do fundo astrofísico conhecido.

Em seguida, eles usaram dados do Fermi-LAT no GW170817 para derivar novas restrições no acoplamento áxion-fóton em função da massa do áxion. Essas restrições astrofísicas são complementares àquelas provenientes de experimentos de laboratório, como o ADMX, que investiga uma região diferente do espaço de parâmetros do áxion.

No futuro, os cientistas poderiam usar telescópios espaciais de raios gama existentes, como o Fermi-LAT, ou missões de raios gama propostas, como o Telescópio Avançado de Astrofísica de Partículas (APT), liderado por WashU, para fazer outras medições durante colisões de estrelas de nêutrons e ajudar a melhorar sua compreensão de partículas semelhantes a áxions.

“Ambientes astrofísicos extremos, como fusões de estrelas de nêutrons, fornecem uma nova janela de oportunidade em nossa busca por partículas do setor escuro como os áxions, que podem ser a chave para a compreensão dos 85% que faltam de toda a matéria no universo”, disse Dev.

Mais informações: P. S. Bhupal Dev et al, Primeiras restrições no acoplamento de fótons de partículas semelhantes a axions de estudos multimensageiros da fusão de estrelas de nêutrons GW170817, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101003
Informações do diário: Cartas de revisão física

Fornecido pela Universidade de Washington em St. 0"/>