Pesquisadores da Universidade de Michigan, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e de outros institutos em todo o mundo realizaram recentemente uma pesquisa por vestígios dessa conversão de matéria escura axion em dados coletados por dois telescópios poderosos, o Green Bank Telescope (GBT) e o Effelsberg Telescópio. O estudo foi baseado em seus esforços de pesquisa anteriores e previsões teóricas, a última das quais é um artigo publicado em 2018.
"A ideia proposta em nosso trabalho anterior e concretizada em muitas publicações subsequentes de toda a comunidade, é que a matéria escura do axião pode se converter em emissão de rádio de banda estreita nos fortes campos magnéticos ao redor das estrelas de nêutrons", Benjamin R. Safdi, um dos os pesquisadores que realizaram o estudo, disseram Phys.org. "No entanto, esses trabalhos mais antigos são puramente teóricos e envolvem especulações sobre como um sinal pode realmente ser encontrado na presença de dados barulhentos do telescópio do mundo real. Compreensivelmente, há algum ceticismo sobre a viabilidade de tal pesquisa."
Para realizar sua busca, Safdi e seus colegas primeiro adquiriram um grande corpo de dados relevantes coletados usando radiotelescópios. Eles coletaram esses dados usando o GBT e o Radiotelescópio Effelsberg, dois dos maiores radiotelescópios do mundo, localizados em West Virginia (EUA) e Ahr Hills (Alemanha), respectivamente.
Os pesquisadores apontaram esses dois telescópios para uma variedade de alvos na Via Láctea e outras galáxias próximas. Isso incluía estrelas de nêutrons bem próximas do Sol, bem como outras regiões do céu que são conhecidas por hospedar numerosas estrelas de nêutrons (por exemplo, em direção ao centro de nossa galáxia). Eles então registraram a potência medida pelo telescópio em uma faixa de frequências. Um sinal associado à conversão de matéria escura dos axiões causaria excesso de potência em um único canal de frequência.
"Em seguida, desenvolvemos e implementamos novas e sofisticadas técnicas de coleta de dados e análise para separar um sinal de axion putativo de fundos confusos", disse Safdi. "Nossa busca é muito parecida com a procura de uma agulha em um palheiro, no sentido de que coletamos energia em milhões de diferentes 'canais de frequência', mas espera-se que o áxion contribua com excesso de energia em um desses canais, e nós fazemos atualmente não sei qual.".
Um desafio chave associado à busca por assinaturas de conversão de matéria escura de axion em dados de radiotelescópio é que também se podem encontrar sinais enganosos. Na verdade, o fundo terrestre (por exemplo, sinais emitidos por comunicações de rádio, fornos de microondas e outros equipamentos na terra) ou sinais emitidos por outros fenômenos astrofísicos podem ser confundidos com os sinais associados à conversão de matéria escura de axion em magnetosferas de estrelas de nêutrons.
Para enfrentar esse desafio e garantir que eles não confundissem outros sinais com assinaturas de rádio de conversão de matéria escura de axion, Safdi e seus colegas usaram uma série de estratégias. Por exemplo, como os sinais reais de conversão de matéria escura do axion só seriam detectados na região que o telescópio está observando em um determinado momento, enquanto os sinais terrestres seriam observados tanto naquela região quanto na Terra, eles rápida e continuamente mudaram o telescópio de " na fonte "para" fora da fonte "locais enquanto apontava para áreas em branco no céu.
"Também implementamos técnicas sofisticadas de análise de dados para filtrar e 'aprender' as propriedades do fundo a partir dos próprios dados", disse Safdi. "Combinando todas essas técnicas, fomos capazes de coletar e analisar dados e concluir, de forma conclusiva, que nenhuma evidência de axions está presente nos dados. Essa não foi uma tarefa trivial, mas isso significa que agora desenvolvemos e demonstramos um quadro de observação e análise que pode ser usado em estudos futuros. Este, para mim, é o principal significado do artigo".
Atualmente, axions estão entre os candidatos mais promissores de matéria escura, portanto, inúmeras equipes de pesquisa em todo o mundo estão tentando detectá-los. Embora todas as pesquisas tenham sido malsucedidas, pesquisas laboratoriais de matéria escura de axion, como o Axion Dark Matter Experiment (ADMX) conduzido na Universidade de Washington e em outras universidades em todo o mundo, até agora alcançaram os resultados mais promissores.
O estudo recente realizado por Safdi e seus colegas sugere que pesquisas baseadas em dados de radiotelescópios podem ser igualmente valiosas na busca por matéria escura de axion. Curiosamente, a pesquisa que eles conduziram é baseada em alguns dos mesmos princípios fundamentais por trás dos experimentos de laboratório conhecidos como 'haloscópios'.
Haloscópios são estratégias experimentais para converter matéria escura axion em sinais eletromagnéticos observáveis usando grandes campos magnéticos de laboratório. De acordo com as previsões teóricas, na presença desses campos magnéticos, os axions devem se transformar em radiação eletromagnética , com a extensão dessa radiação variando de acordo com o tamanho desses campos (ou seja, quanto maior é um campo, maior é a assinatura eletromagnética do axion) .
"Experimentos de laboratório de ponta, como o experimento ADMX, fazem uso de campos magnéticos que se aproximam de ~ 10 Tesla (observe que a intensidade do campo magnético em uma máquina de ressonância magnética moderna é de cerca de ~ 1 Tesla, normalmente)", explicou Safdi. "As estrelas de nêutrons, por outro lado, podem hospedar campos magnéticos tão grandes quanto 100 bilhões de Tesla. Além disso, os campos magnéticos se estendem por centenas de quilômetros ao redor das estrelas de nêutrons, enquanto um experimento de laboratório pode manter esses campos em uma fração de um metro".
Essencialmente, em sua busca, os pesquisadores estavam tentando detectar os mesmos sinais que outras equipes tentaram detectar em experimentos de laboratório. No entanto, enquanto em experimentos de laboratório o processo de conversão axião-fóton seria raro e o sinal resultante só seria detectado por instrumentos sofisticados e bem protegidos, nas áreas ao redor de uma estrela de nêutrons, o mesmo sinal seria ampliado e violento. Até agora, a maioria dos físicos optou por realizar pesquisas de matéria escura com base em haloscópios no laboratório porque os sinais eletromagnéticos produzidos em regiões distantes da Terra ainda são difíceis de observar com os instrumentos astronômicos existentes, pois diminuem com a distância.
"Nosso trabalho mostra que as observações de rádio de estrelas de nêutrons podem competir com pesquisas de laboratório e terão um papel importante no futuro para descobrir partículas de matéria escura de axion", disse Safdi. "Eu acho que este é um insight importante porque significa que os radiotelescópios devem fazer parte das conversas que discutem a instrumentação para a detecção de matéria escura dos axiões".
O trabalho recente de Safdi e seus colegas sugere que as observações de radiotelescópios de estrelas de nêutrons podem ser um caminho promissor para a detecção de matéria escura axion. Enquanto eles não foram capazes de detectar os sinais que estavam procurando, sua pesquisa permitiu aos pesquisadores definir restrições no espaço de parâmetro permitido da matéria escura axion, alcançando um pouco além das restrições existentes.
Infelizmente, o nível de sensibilidade das restrições que eles definem não é alto o suficiente para que suas descobertas afetem os mais renomados modelos de axion cromodinâmicos quânticos (QCD). No entanto, este estudo recente serve como uma prova de princípio e pode abrir caminho para pesquisas semelhantes usando diferentes dados ou instrumentos.
A faixa de massa de matéria escura do axion que os pesquisadores sondaram até agora (ou seja, aproximadamente 10 micro-eV) é a faixa que poderia, em última análise, confirmar a abundância de matéria escura em nosso universo. Por exemplo, em outro estudo , Safdi e seus colegas Joshua W. Foster e Malte Buschmann estimaram que, para confirmar as previsões atuais sobre a prevalência da matéria escura no universo, a massa dos áxions deveria estar entre 10 e 40 micro-eV.
"Esta previsão faz suposições sobre como, exatamente, a matéria escura do axion é produzida no universo inicial, então é possível que mecanismos de produção mais complicados estejam em jogo que trariam o axion para fora desta janela, mas eu acho que no momento o A janela axion de ~ 10-40 micro-eV é uma das faixas de massa mais motivadas para o axion ", disse Safdi. "Embora nosso papel analise eixos nesta faixa de massa, nossos resultados não são sensíveis o suficiente para sondar a parte mais motivada do espaço de parâmetros, que é a região que descreve o eixo QCD".
Se fossem validados em experimentos, os modelos teóricos do axion QCD poderiam lançar alguma luz sobre uma série de outros fenômenos naturais que vão além da busca pela matéria escura; por exemplo, explicando por que os nêutrons não giram em campos elétricos. Esses modelos, no entanto, prevêem a ocorrência de acoplamentos que são um fator de ~ 10-100 a menos do que os instrumentos usados no estudo recente de Safdi e seus colegas foram sensíveis. No futuro, os pesquisadores gostariam, portanto, idealmente de reunir observações mais precisas que são sensíveis a axions na faixa de massa prevista por modelos QCD.
"Agora que sabemos que nosso método funciona, vamos adquirir significativamente mais dados, com observações mais profundas em uma gama mais ampla de frequências", disse Safdi. "Já estamos planejando observações futuras com Green Bank e Effelsberg que estenderão nosso alcance para frequências mais altas. Para sondar definitivamente o axion QCD, no entanto, podemos precisar esperar pelo próximo conjunto de telescópios Square Kilometer Array (SKA) , que será transformacional para esta pesquisa porque nos dará ordens de magnitude mais sensibilidade. Temos esperança de que as pesquisas com SKA levem à descoberta do áxion ou, na ausência de uma descoberta, desempenha um papel importante no estreitamento da faixa de massa possível para axions".
Anson Hook et al. Radio Signals from Axion Dark Matter Conversion in Neutron Star Magnetospheres, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121.241102
Fonte: Phys News / por Ingrid Fadelli, Phys.org /20-11-2020
https://phys.org/news/2020-11-axion-dark-conversion-magnetic-fields.html
Obrigado pela sua visita e volte sempre!
HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso de
Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina
(UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
Page:
http://pesqciencias.blogspot.com.br
Page:
http://livroseducacionais.blogspot.com.br
Nenhum comentário:
Postar um comentário