Uma supernova, a explosão de uma anã branca ou estrela massiva, pode criar tanta luz quanto bilhões de estrelas normais. Este fenômeno astronômico transitório pode ocorrer em qualquer ponto depois que uma estrela atingiu seus estágios evolutivos finais.

Acredita-se que as supernovas estejam associadas a condições físicas extremas, muito mais extremo do que aqueles observados durante qualquer outro fenômeno astrofísico conhecido no universo, excluindo o Big Bang. Em supernovas que envolvem uma estrela massiva, o núcleo da estrela pode colapsar em uma estrela de nêutrons, enquanto o resto é expelido na explosão.

Durante essas violentas explosões estelares, temperaturas na estrela de nêutrons recém-nascidos podem chegar a mais de 600 bilhões de graus, e as densidades podem ser até 10 vezes maiores do que aquelas nos núcleos atômicos. A estrela de nêutrons quente resultante desse tipo de supernova é uma fonte significativa de neutrinos e poderia, portanto, ser um modelo ideal para estudos de física de partículas.

Por várias décadas, astrônomos e astrofísicos têm tentado se preparar para a ocorrência de uma supernova, conceber modelos teóricos e computacionais que possam auxiliar na compreensão atual deste fascinante evento cosmológico. Esses modelos podem ajudar a analisar e compreender melhor os novos dados coletados usando detectores e outros instrumentos de última geração, particularmente aqueles projetados para medir neutrinos e ondas gravitacionais.

Em 1987, pesquisadores foram capazes de observar neutrinos produzidos em uma supernova pela primeira vez e, até aqui, Só o tempo, usando instrumentos conhecidos como detectores de neutrino. Esses neutrinos viajaram para a Terra por um período de aproximadamente dez segundos, portanto, sua observação forneceu uma medida da taxa na qual os restos de uma supernova foram capazes de esfriar.

Por décadas agora, esta medição foi vista como o limite na rapidez com que partículas exóticas podem resfriar um remanescente de supernova. Desde que foi introduzido pela primeira vez em 1987, este ponto de referência, conhecido como "restrição de resfriamento de supernova, "foi amplamente utilizado para investigar extensões do modelo padrão, a teoria primária da física de partículas que descreve as forças fundamentais do universo.

Pesquisadores do Instituto Max Planck de Astrofísica na Alemanha e da Universidade de Stanford realizaram recentemente um estudo investigando o potencial das supernovas como plataformas para revelar uma nova física além do modelo padrão. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , explora especificamente o papel dos múons, partículas que se assemelham a elétrons, mas têm massas muito maiores, poderia atuar no resfriamento de remanescentes de supernovas.

"Embora o conceito de 'restrições de resfriamento de supernova' já exista há décadas, a comunidade só recentemente começou a apreciar o papel que os múons podem desempenhar nas supernovas, e como resultado, muito pouco trabalho foi feito sobre como as novas partículas que se acoplam principalmente aos múons poderiam afetar o resfriamento, "William DeRocco, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Percebemos que, rodando simulações de ponta de múons em supernovas, poderíamos colocar um limite de resfriamento nesses acoplamentos exóticos, e foi assim que o projeto nasceu. "

O estudo recente apresentado em Cartas de revisão física foi o resultado de uma colaboração entre duas equipes de pesquisadores, um no Instituto Max Planck e um em Stanford. A equipe do Instituto Max Planck, composta por Robert Bolling e Hans-Thomas Janka, executou uma série de simulações de supernovas que incluíram efeitos muônicos, ao mesmo tempo que incorpora algumas das descobertas mais recentes sobre a física das supernovas.

Essas simulações levaram à criação da maior biblioteca existente de perfis de supernova, incluindo múons, que agora está disponível publicamente e pode ser acessado por todos os pesquisadores de astrofísica em todo o mundo. Subseqüentemente, De Rocco e o resto da equipe de Stanford usaram esta biblioteca para calcular as taxas de produção de partículas semelhantes a axions, tentando determinar onde no espaço de parâmetro sua produção violaria a restrição de resfriamento delineada em 1987.

"Modelos cada vez mais detalhados dos processos complexos em supernovas ainda nos permitem usar as medições de neutrinos de 33 anos conectadas com a Supernova 1987A para aprender novos aspectos sobre o fenômeno das partículas, que são difíceis de explorar em experimentos de laboratório, "Janka disse ao Phys.org." William e Peter contataram meu pós-doutorado Robert e eu com suas novas ideias por e-mail, então nos unimos para unir forças neste projeto de pesquisa durante o bloqueio do COVID-19 em ambos os lados, comunicar-se por e-mail e em videoconferências. "

DeRocco, Janka, e seus colegas demonstraram que as supernovas podem ser modelos de laboratório poderosos para caçar uma nova física muônica, algo que não foi totalmente apreciado até agora. Seu trabalho já inspirou outras equipes de pesquisa a buscar uma física exótica além do modelo padrão, estudando múons em supernovas. No futuro, este artigo poderia, assim, abrir caminho para novas descobertas fascinantes sobre as partículas no universo e os fenômenos cosmológicos.

"Acho que ainda há muita informação que as supernovas podem nos fornecer sobre possíveis extensões do modelo padrão, "DeRocco disse." Até agora, vimos apenas os neutrinos de uma supernova galáctica, mas a taxa de explosão de supernovas em nossa galáxia é estimada em cerca de duas vezes por século, portanto, temos uma boa chance de ver outro nas próximas décadas. Com os detectores significativamente avançados que construímos desde 1987, a informação que receberíamos da observação da próxima supernova galáctica é vasta e excitante para especular. Talvez seja em neutrinos de supernova que faremos nossa primeira observação além da física do modelo padrão! "

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