Pesquisadores encontram maneira de detectar a matéria escura

A busca pode precisar de um detector maior do que podemos construir, mas há indícios de que estrelas de nêutrons possam fazer o trabalho.

Ilustração mostrando raios gama de uma estrela de nêutrons. Fonte: NASA.

A busca para descobrir a natureza da matéria escura é um dos maiores desafios da ciência atualmente, mas a chave para finalmente entender essa substância misteriosa pode muito bem estar nas estrelas. Ou, para ser mais preciso, em um tipo específico de estrela - a estrela de nêutrons.

Até agora, os cientistas conseguiram verificar a existência de matéria escura, mas não a observaram diretamente. Na verdade, detectar partículas de matéria escura em experimentos na Terra é uma tarefa formidável, porque as interações das partículas de matéria escura com a matéria regular são extremamente raras.

Para pesquisar esses sinais incrivelmente raros, é preciso um detector muito grande - talvez tão grande que seja impraticável construir um detector grande o suficiente na Terra. No entanto, a natureza oferece uma opção alternativa na forma de estrelas de nêutrons - uma estrela de nêutrons inteira pode atuar como o detector de matéria escura.

Embora a existência de matéria escura tenha sido inferida, ela ainda não foi observada diretamente. Fonte: NASA.

Em pesquisas publicadas na Physical Review Letters, foi determinado como usar com muito mais precisão as informações obtidas a partir desses detectores naturais de matéria escura.

Usando estrelas de nêutrons para detectar matéria escura

Estrelas de nêutrons são as estrelas mais densas que existem. Elas se formam quando estrelas gigantes morrem em explosões de supernovas, deixando para trás um núcleo colapsado, no qual a gravidade pressiona a matéria tão fortemente que prótons e elétrons se combinam para formar nêutrons. Com uma massa comparável à do Sol - comprimida em um raio de 10 km - uma colher de chá de estrela de nêutrons tem uma massa de cerca de um bilhão de toneladas!

"Essas estrelas são "laboratórios cósmicos", permitindo-nos estudar como a matéria escura se comporta sob condições extremas que não podem ser replicadas na Terra", dizem os pesquisadores.

A matéria escura interage de maneira muito fraca com a matéria comum. Isso quer dizer que ela pode atravessar um ano-luz de chumbo (cerca de 10 trilhões de quilômetros) sem ser interrompida. Incrivelmente, no entanto, as estrelas de nêutrons são tão densas que podem capturar todas as partículas de matéria escura que passam por elas.

Animação de uma estrela de nêutrons girando no espaço. Fonte: Laboratório de imagem conceitual da NASA.

Teoricamente, as partículas de matéria escura colidiriam com nêutrons da estrela, perderiam energia e ficariam presas gravitacionalmente. Com o tempo, as partículas de matéria escura se acumulariam no centro da estrela. Espera-se que isso aqueça estrelas de nêutrons a um nível que possa estar ao alcance de futuras observações. Isso significa que as estrelas de nêutrons podem permitir que os pesquisadores explorem certos tipos de matéria escura que seriam difíceis ou impossíveis de se observar em experimentos na Terra.

Um dos desafios no uso de estrelas de nêutrons para detectar matéria escura é garantir que os cálculos usados pelos cientistas levem em conta o ambiente único da estrela. Embora a captura de matéria escura em estrelas de nêutrons tenha sido estudada por décadas, os cálculos existentes perderam importantes efeitos físicos devido às aproximações matemáticas.

Então, os pesquisadores aprimoraram os cálculos da taxa de captura de matéria escura - ou seja, a rapidez com que a matéria escura se acumula em estrelas de nêutrons - o que mudou as respostas consideravelmente.

Os cálculos usados para detectar a matéria escura em estrelas de nêutrons precisam levar em consideração o ambiente único da estrela.

A pesquisa considera corretamente a estrutura do núcleo, em vez de tratar os nêutrons como partículas pontuais, e inclui os efeitos de forças intensas entre os núcleos, em vez de modelar os nêutrons como um gás livre de partículas. Esta nova pesquisa aumenta muito a precisão das estimativas da taxa de captura de matéria escura. Isso abre o caminho para uma melhor determinação da força de interação da matéria escura com a matéria comum.

"Simplificando, mostramos como pensar corretamente sobre as colisões de matéria escura no ambiente de estrelas de nêutrons extremos, o que é muito diferente dos detectores de matéria escura na Terra."

Em última análise, a evidência do acúmulo de matéria escura nas estrelas deve fornecer pistas valiosas sobre onde direcionar os esforços nos experimentos realizados na Terra, ajudando a desvendar o mistério da matéria escura.