Raios X vindos de estrelas de nêutrons podem ser indício de nova partícula

Observações múltiplas realizadas ao longo de vários meses com o Observatório Chandra de Raio-X e pelo Telescópio Hubble, capturaram esse espetáculo de matéria e antimatéria impulsionadas próximas a velocidade da luz pela pulsar Crab, uma estrela de nêutrons que rotaciona rapidamente e que tem o tamanho de uma cidade pequena. Créditos: ESA

Um misterioso crescimento na produção de  raios X, observado em estrelas de nêutrons próximas, poderia ser a primeira evidência da existência dos áxions, partículas cuja existência até hoje só foi sugerida pelos físicos teóricos, e que alguns acreditam ser a explicação para o fenômeno da matéria escura. O estudo  foi publicado na revista científica Physical Review Letters. 

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A matéria é composta por diversos tipos de partículas. As mais comuns são prótons, nêutrons e elétrons. Em certas condições, essas partículas colidem umas com as outras, o que ocorre, por exemplo, no núcleo de estrelas e no interior dos aceleradores de partículas construídos pelos cientistas.   

A existência do áxion foi proposta no fim da década de 1970, para resolver o chamado problema da violação CP forte, que envolve entender por que “a distribuição de cargas negativas e positivas dentro de um nêutron ocorre a partir de um mesmo ponto central”, diz Christopher Dessert, um dos coautores da pesquisa e pós-graduando em física na Universidade de Michigan, nos EUA. Já nos anos 1980, os teóricos sugeriram que, caso o áxion realmente exista, poderia ser a explicação tão buscada para outro fenômeno, a chamada matéria escura.  

Os modelos teóricos sugerem que os áxions poderiam ser gerados  a partir de colisões ocorridas entre outras partículas. Ou talvez existam naturalmente na forma de matéria escura, um tipo de matéria que não pode ser observada diretamente mas que compõe uma grande porcentagem do Universo. Os áxions também são previstos pelas teorias de cordas. 

De maneira geral, os cientistas pensam que observar os áxions é um grande desafio porque eles “interagem fracamente”, o que significa que é muito raro que consigam colidir  com outras partículas. “A busca pelo áxion tem sido um dos principais objetivos na área da física de partículas de altas energias, tanto entre os físicos teóricos como no campo dos experimentos”, diz Raymond Co, coautor da pesquisa e pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Minnesota, nos EUA. 

Em 2019, Co, Dessert e seus colegas na pesquisa, liderados pelo físico Benjamin Safdi, observaram um aumento nos  raios X emitidos por diversas estrelas de nêutrons que a princípio não podia ser explicado. Estas são estrelas extremamente densas e, como o nome diz, compostas majoritariamente por nêutrons. O novo estudo propõe que esses novos raios X novos sejam causados por áxions que estão sendo produzidos nos núcleos das estrelas de nêutrons. Para explicar como ocorreria o fenômeno, os pesquisadores utilizaram uma teoria proposta anteriormente sobre os áxions.

Segundo essa teoria, a produção de áxions no núcleo de uma estrela de nêutrons ocorre como consequência da colisão entre  nêutrons e prótons. Depois de geradas, as partículas se deslocam até o campo magnético da estrela. Lá elas se conveteriam  em fótons, as partículas que compõem os raios X que são posteriormente observados pelos telescópios na Terra. Uma vez que os áxions possuem muito mais energia do que os fótons que essas estrelas de nêutrons em geral emitem, os fótons produzidos a partir dos áxions trariam muito mais energia também, o que explicaria o aumento inesperado nos raios X. 

Os pesquisadores ressaltam que esse estudo não estabelece definitivamente a existência do áxion. Dessert disse que o aumento inesperado poderia ser causado talvez por algum problema nos  telescópios de raio X utilizados para fazer as observações. Ou, talvez, a causa pode estar em algum processo ainda desconhecido, que ocorre nas estrelas de nêutrons. 

“Dedicamos muito tempo a assegurar que o sinal não é algo relacionado aos telescópios, e estamos muito confiantes de que ele é real”,disse Dessert. Ele também reconhece que talvez o aumento na produção de raios X possa se dever a algum processo astrofísico ainda desconhecido ocorrendo no interior da estrela de nêutrons. Mas, diz o físico, o sinal observado condiz com o que seria de se esperar se áxions existissem.  

Os telescópios que estão sendo utilizados para conduzir estudo, o XMM-Newton, da Agência Espacial Europeia, e o Observatório Chandra de Raios X, da Nasa, não são sensíveis ao espectro completo das energias que os áxions teoricamente poderiam produzir. Por isso, uma forma mais eficiente de determinar o que pode estar por trás deste aumento envolve usar telescópios de raio x mais novos,  tais como  o NuSTAR, da Nasa.  “Se conseguirmos dados da NuSTAR, poderíamos dizer com mais confiança, ‘quais podem ser as propriedades desse áxion, se ele realmente for a origem do sinal?’”, diz Dessert. 

Publicado em 19/01/2021