Um aglomerado de galáxias pode ter fortemente abalado a teoria das cordas

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A imagem capturado pelo Chandra do aglomerado de Perseu. Crédito: NASA.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

No coração de um aglomerado de galáxias a 200 milhões de anos-luz de distância, os astrônomos não conseguiram detectar partículas hipotéticas chamadas áxions.

Isso coloca novas barreiras nas hipóteses de como essas partículas funcionam – mas também tem implicações muito importantes para a teoria das cordas e o desenvolvimento de uma teoria de tudo que descreveria como o universo físico funciona.

“Até recentemente, eu não tinha ideia do quanto os astrônomos especialistas em raios X tinham de fato a oferecer quando se trata de teoria das cordas, mas eles podem desempenhar um papel importante”, disse o astrofísico Christopher Reynolds, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

Quando se trata de entender como o Universo funciona, desenvolvemos algumas estruturas muito boas. Uma é a relatividade geral, descrevendo como a física funciona no nível macro. Outra é a mecânica quântica, que descreve como as coisas se comportam no nível atômico e subatômico.

O grande problema é que os dois quadros famosos não se dão muito bem. A relatividade geral não pode ser reduzida ao nível quântico, e a mecânica quântica não pode ser ampliada. Houve muitas tentativas de fazer com elas dessem as mãos, desenvolvendo o que é chamado de Teoria de Tudo.

Um dos candidatos mais promissores para resolver as diferenças entre a relatividade geral e a mecânica quântica é algo chamado teoria das cordas, que envolve a substituição de partículas pontuais na física de partículas por minúsculas e vibrantes cordas unidimensionais.

Além disso, muitos modelos da teoria das cordas preveem a existência de áxions – partículas de massa ultra-baixa hipotetizadas pela primeira vez na década de 1970 para resolver uma questão de por que forças atômicas fortes seguem algo chamado simetria CP (Carga e Paridade), quando a maioria dos modelos diz que elas não necessitariam seguir. Como se viu, a teoria das cordas também prevê um grande número de partículas que se comportam como áxions, chamadas literalmente de “partículas semelhantes a áxions”.

Uma das propriedades das partículas semelhantes a áxions é que elas podem se converter em fótons quando passam através de um campo magnético; e, inversamente, os fótons podem converter-se em partículas semelhantes a áxions quando passam por um campo magnético. A probabilidade disso depende de uma série de fatores, incluindo a força do campo magnético, a distância percorrida e a massa da partícula.

É aqui que Reynolds e sua equipe entram. Eles estavam usando o Observatório de Raios-X Chandra para estudar o núcleo ativo de uma galáxia chamada NGC 1275 que fica a cerca de 237 milhões de anos-luz de distância, no coração de um aglomerado de galáxias chamado de aglomerado de Perseu.

Os oito dias de observação acabaram dizendo quase nada sobre o buraco negro. Mas eles perceberam que os dados poderiam ser usados ​​para procurar partículas semelhantes a áxions.

“A luz de raios X do NGC1275 precisa passar pelo gás quente do aglomerado de Perseu, e esse gás é magnetizado”, explicou Reynolds.

“O campo magnético é relativamente fraco (mais de 10.000 vezes mais fraco que o campo magnético na superfície da Terra), mas os fótons de raios-X precisam percorrer uma distância enorme através desse campo magnético. Isso significa que há uma ampla oportunidade para a conversão destes fotóns em partículas semelhantes a áxions (desde que as partículas semelhantes a áxions tenham massa suficientemente baixa).”

Como a probabilidade de conversão depende do comprimento de onda dos fótons de raios-X, as observações devem revelar uma distorção, pois alguns comprimentos de onda estão sendo convertidos com mais eficácia do que outros. A equipe levou cerca de um ano de trabalho meticuloso, mas no final, nenhuma distorção foi encontrada.

Isso significa que a equipe poderia descartar a existência de áxions na espectrometria de massa às quais suas observações eram sensíveis – até cerca de um milionésimo de bilionésimo de bilionésimo da massa de um elétron.

“Nossa pesquisa não descarta a existência dessas partículas, mas definitivamente não colabora com o caso da sua existência”, disse a astrônoma Helen Russell, da Universidade de Nottingham, no Reino Unido.

“Essas restrições investigam o leque de propriedades sugeridas pela teoria das cordas e podem ajudar os teóricos das cordas a repensar suas teorias”.

A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal.