Poderíamos estar mais perto de compreender o mistério por trás do que é a matéria escura, seguindo novas pesquisas de físicos do King's College London.



Teorizados pela primeira vez em 1977, os áxions são partículas hipotéticas de massa leve que foram sugeridas como um possível candidato à matéria escura, devido ao calor que emitem. No entanto, devido à variedade de tamanhos e massas que poderiam ter, a sua identificação conclusiva tem sido difícil.

Em uma série de artigos na Physical Review D , Liina Chung-Jukko, os professores Malcolm Fairbairn, Eugene Lim, o Dr. David Marsh e colaboradores sugeriram uma nova abordagem para localizar esta 'partícula maravilhosa' que poderia explicar tanto a energia escura como a matéria escura.

O professor Malcolm Fairbairn explica:"Os áxions são um dos principais candidatos à matéria escura. Descobrimos que eles têm a capacidade de aquecer o universo assim como as supernovas e as estrelas comuns, depois de se unirem em aglomerados densos. Armados com esse conhecimento, sabemos com muito mais certeza sobre onde apontar nossos instrumentos em campo para encontrá-los."

A teoria da relatividade geral de Einstein sugere que cerca de 85% do material no universo é matéria escura – uma forma desconhecida de matéria que não conseguimos observar ou sondar. Os efeitos gravitacionais, observados em cenários como a formação de galáxias, não fazem sentido no modelo de Einstein, a menos que haja uma grande quantidade de matéria que não podemos ver e que não interage com a luz ou com campos eletromagnéticos.

Axions são um candidato a esta forma hipotética de matéria. Estas partículas de baixa massa devem estar presentes em números muito grandes para explicar a falta de massa nas galáxias. Como esses áxions devem existir em grande número, eles também devem estar densamente compactados em áreas específicas, o que significa que ficam sujeitos às leis da mecânica quântica.

Isso significaria que os áxions individuais começariam a agir em conjunto. Isso significaria que poderia haver grandes agrupamentos de matéria escura de axions no centro das galáxias, também conhecidos como “estrelas de axions”.

Estas estrelas axion podem tornar-se instáveis ​​após um certo limite de massa, explodindo em radiação eletromagnética e fotões – partículas de luz, como mostrado em mais detalhe por Liina Chung-Jukko. Os cientistas sugerem que estas explosões têm o potencial de aquecer o gás intergaláctico que existe entre as galáxias no tempo que separa o big bang e a formação das primeiras estrelas, 50-500 milhões de anos após o início do universo.

Isto mudaria a forma como a radiação cósmica de fundo (CMB) – a radiação eletromagnética que preenche todo o espaço – seria durante este período, que os cientistas podem atualmente observar através de ondas de rádio usando um método chamado medição de 21 cm.

Ao procurar desta forma sinais de onde as estrelas do axion explodiram no universo primitivo ou presente, os cientistas podem ser capazes de usar estes métodos para rastrear o áxion até agora não observado e descobrir a fonte de alguma, se não de toda, matéria escura.

Malcolm Fairbairn disse:"Estrelas de axion coerentes, mesmo aquelas que são relativamente compactas, têm o potencial de explodir em um halo de eletromagnetismo e luz. Conhecer o tipo de estruturas que a matéria escura de axion pode formar e seu impacto no gás intergaláctico circundante pode abrir novas formas para sua detecção.

"Ser capaz de encontrar o áxion provavelmente nos ajudaria a resolver uma das maiores questões da ciência, que está sendo elaborada há mais de um século, e ajudaria a desvendar a história do universo primitivo."

Ao calcular o número total de estrelas de axion no universo e, por extensão, o seu potencial explosivo latente no gás intergaláctico, a equipe também presumiu o tamanho do sinal que as estrelas de axion emitiriam na CMB. Isso permitiria que medições de 21 cm categorizassem com precisão o que é e o que não é originário dos áxions, auxiliando na busca.

O trabalho de King's junta-se a um coro crescente entre a comunidade científica que procura o áxion como o principal candidato à matéria escura, David Marsh disse:"A medição de 21 cm é geralmente vista como o futuro da cosmologia, e o papel que desempenha na busca por o axion é uma grande razão para isso. Atualmente, há uma enorme proliferação de pesquisas de axion sendo construídas, incluindo projetos como o Dark Matter Radio. É um momento muito, muito emocionante para ser um astrofísico agora.

Mais informações: Miguel Escudero et al, Explosões estelares de Axion:Uma nova fonte para detecção indireta de Axion, Revisão Física D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.043018
Xiaolong Du et al, Taxas de fusão de Soliton e decaimento aprimorado da matéria escura do axion, Revisão Física D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.043019

Informações do diário: Revisão Física D

Fornecido pelo King's College London