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Neutrinos de uma supernova podem ajudar a desvendar a matéria escura

A próxima supernova que ocorrer em nossa galáxia pode ser a chave para desvendar um dos maiores mistérios do universo: a matéria escura. É que esse tipo de evento libera uma quantidade enorme de energia na forma de neutrinos e, talvez, de partículas que compõem a matéria escura.

Supernovas em nossa galáxia são comuns em escala de tempo cósmica, mas raras para o tempo de vida humano. A última supernova a olho nu da Via Láctea aconteceu em 1604, enquanto a mais recente — não visível por ocorrer no núcleo galáctico — ocorreu em 1898.

Em média, as explosões estelares em galáxias como a nossa acontecem uma vez a cada século, então há chances de observarmos uma supernova nas próximas décadas. Ainda não há previsão concreta para um evento desse tipo ainda neste século, exceto uma probabilidade para a V Sagittae, que pode explodir em 2083.

Independente de qual estrela explodirá primeiro, o fenômeno fornecerá aos astrônomos uma oportunidade única de detectar uma quantidade abundante de neutrinos, conhecidos como “partículas fantasmas”. O apelido é uma alusão à pequena taxa de interação entre neutrinos e as demais partículas do universo.

Supernovas e neutrinos

Ilustração de uma supernova emitindo radiação intensa sobre uma segunda estrela (Imagem: Reprodução/NASA/ESA/Leah Hustak (STScI))
Ilustração de uma supernova emitindo radiação intensa sobre uma segunda estrela (Imagem: Reprodução/NASA/ESA/Leah Hustak (STScI))

O fato de os neutrinos não interagem com a matéria “comum” significa que eles podem atravessar estrelas, planetas, e até mesmo seres humanos. Na verdade, eles fazem isso o tempo todo! Milhares de neutrinos emitidos pelo Sol estão atravessando seu corpo nesse exato momento.

Por outro lado, isso também significa que essas partículas são extremamente difíceis de detectar. Para observar algumas dezenas deles, os cientistas precisam de detectores muito específicos, como o IceCube, enterrado no gelo da Antártida.

Neutrinos podem ser emitidos por vários corpos, como as estrelas distantes, nosso Sol, e até mesmo o núcleo da Terra. Contudo, em alguns casos, eles podem ganhar muito mais energia — um desses casos é quando as partículas são emitidas pela explosão de uma supernova ou por um buraco negro.

Em 1987, por exemplo, uma supernova ocorreu fora da Via Láctea, na galáxia Grande Nuvem de Magalhães. A partir da explosão, um fluxo de neutrinos de alta energia foi emitido e alguns deles atingiram três detectores na Terra. A quantidade, entretanto, não foi tão impressionante: pouco mais de 20 neutrinos, durante cerca de 12 segundos.

Ainda assim, a detecção marcou o nascimento da astronomia de neutrinos vindos de eventos desse tipo. Naquela ocasião, não havia um detector especificamente feito para detectar as partículas fantasmas, então os aparelhos da época realmente fizeram um ótimo trabalho.

Neutrinos e matéria escura

O detector de neutrinos Borexino, localizado na Itália (Imagem: Reprodução/INFN/Borexino)
O detector de neutrinos Borexino, localizado na Itália (Imagem: Reprodução/INFN/Borexino)

A matéria escura é, de longe, o maior componente do universo, mas ainda não sabemos do que ela é feita. Existem algumas partículas hipotéticas que os cientistas descreveram para, depois, tentar encontrá-las, mas até agora nenhuma foi observada.

Da mesma forma que os neutrinos, a matéria escura não interage com a matéria comum, exceto por meio da gravidade. É graças à sua grande força gravitacional exercida sobre as galáxias que os astrônomos podem dizer que a matéria escura realmente existe.

Mas como observar algo que não interage com a luz ou qualquer outra partícula conhecida? Essa é a parte realmente complicada, já que todos os instrumentos científicos se baseia nos tipos de “luz” existentes (luz visível e demais comprimentos de ondas do espectro eletromagnético) ou na interação com outras partículas do Modelo Padrão.

Por isso, todas os métodos de detecção direta já usados para observar a matéria escura dependem de alguma interação com algum tipo de matéria normal. Esses métodos não são exatamente ruins; é que esse é o único tipo de interação que a física atual permite.

Além disso, pode ser que a matéria escura só interaja com a matéria comum por meio de processos físicos extremos do universo, impossíveis de serem reproduzidos em laboratórios. Nesse caso, só podemos contar com tais eventos cósmicos.

O detector de neutrinos IceCube, localizado na Antártida (Imagem: Reprodução/IceCube Neutrino Observatory)
O detector de neutrinos IceCube, localizado na Antártida (Imagem: Reprodução/IceCube Neutrino Observatory)

É aqui onde as supernovas dentro da Via Láctea entram em ação. Existem motivos para os cientistas cogitarem que, talvez, a matéria escura seja, ao lado dos neutrinos, portadora da energia liberada pela explosão de uma estrela massiva.

Quando astrônomos detectam uma supernova, o que eles observam são as ondas do espectro eletromagnético, como luz visível, raios-X, raios gama, entre outras. Mas a maioria da energia de uma supernova é carregada na forma de neutrinos. E, diferente da luz, eles podem atravessar toda a matéria de uma estrela instantaneamente, já que não podem ser bloqueados por nada.

Uma supernova do tipo II (de colapso do núcleo estelar) libera cerca de 99% de toda a sua energia na forma de neutrinos. É esse processo que normalmente leva à implosão do núcleo e à formação de uma estrela de nêutrons ou de um buraco negro.

Com os detectores modernos, se uma supernova de colapso do núcleo explodisse hoje dentro da Via Láctea, poderíamos detectar até dezenas ou centenas de milhões de neutrinos. Os cientistas sabem disso porque a física das supernovas é bem compreendida e, assim, é possível prever quantos neutrinos serão produzidos quando isso ocorrer.

A parte interessante para os “caçadores” de matéria escura é que essas previsões podem não se concretizar. Isso com certeza ocorreria se a matéria escura também transportar parte da energia liberada pela supernova. Em outras palavras, se a quantidade de neutrinos de uma supernova for menor que o esperado, a matéria escura pode estar ali também.

Uma nova física

Um dos mapeamentos de matéria escura em parte do universo (Imagem: Reprodução/DES Observations/N Jeffrey/Dark Energy Survey Collaboration)
Um dos mapeamentos de matéria escura em parte do universo (Imagem: Reprodução/DES Observations/N Jeffrey/Dark Energy Survey Collaboration)

Se os neutrinos devem carregar 99% da energia de uma supernova de colapso do núcleo, é exatamente isso o que os cientistas devem encontrar nos detectores. Se uma pequena porcentagem dessa energia for transportada pela matéria escura, os pesquisadores encontrarão um déficit de neutrinos.

Isso seria uma vitória na busca pela desconhecida partícula que compõe a matéria escura. Se ela puder transportar a energia de uma supernova, a descoberta deve apontar o caminho para o desenvolvimento de experimentos realmente capazes de detectá-la diretamente.

Para isso, é preciso que a supernova ocorra em nossa própria galáxia, pois apenas assim uma quantidade substancial de neutrinos poderão atingir os detectores. Infelizmente, a V Sagittae não será uma supernova do tipo II — aliás, ela provavelmente será uma nova, um tipo de explosão causada pela acreção de hidrogênio à superfície de uma anã branca.

A possibilidade de uma supernova enviar exatamente a quantidade esperada de neutrinos são muito grandes, já que essa é a previsão do Modelo Padrão de partículas. Esse modelo é, até hoje, o mais bem sucedido para explicar a física quântica, então qualquer coisa fora disso significará uma física completamente nova.

Não é comum encontrar uma nova física no universo, mas os cientistas torcem para que isso ocorra. Afinal, por melhor que seja, o Modelo Padrão não explica tudo, ainda mais quando o assunto é a matéria escura. Por isso, as expectativas para uma supernova ocorrer nas proximidades são grandes e ela pode significar uma verdadeira revolução na física.

Fonte: Canaltech

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