Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

Nas profundezas do coração violento de uma estrela em colapso, uma explosão de supernova cria condições tão extremas que dão origem a partículas que nunca vimos na Terra. Entre essas partículas hipotéticas estão as partículas do tipo axion, entidades fantasmagóricas e minúsculas que interagem de forma muito fraca com a matéria comum. Se essas partículas existirem, elas são produzidas em números vastos dentro da nova estrela de nêutrons, o remanescente incrivelmente denso deixado para trás após a explosão. Algumas dessas partículas são rápidas o suficiente para escapar da estrela e voar pelo universo, mas outras são mais lentas. Essas partículas mais lentas não conseguem escapar da intensa atração gravitacional da estrela de nêutrons; em vez disso, elas ficam presas, orbitando a estrela em uma vasta nuvem invisível. Por décadas, os físicos se perguntaram se essa nuvem presa poderia ser detectada. A ideia era que, conforme essas partículas eventualmente decaíssem, elas se transformariam em luz, aquecendo a superfície da velha estrela de nêutrons em resfriamento. Se pudéssemos medir esse calor extra, poderíamos finalmente provar que essas partículas existem.

No entanto, um novo estudo realizado por pesquisadores do Instituto Nacional de Tecnologia em Rourkela, Índia, mudou fundamentalmente esse cenário ao mostrar que a própria estrela atua como um aspirador de pó cósmico. Os pesquisadores perceberam que cálculos anteriores haviam negligenciado um detalhe crítico: enquanto as partículas presas orbitam a estrela, seus caminhos não são perfeitamente circulares. Muitas dessas órbitas mergulham profundamente no interior da estrela. Como a estrela é feita de matéria incrivelmente densa, qualquer partícula que mergulha lá dentro é quase instantaneamente absorvida e destruída pelo denso material nuclear. Os pesquisadores calcularam que, para uma partícula sobreviver por centenas de milhões de anos, ela deve permanecer em uma órbita muito específica e larga que nunca toque a superfície da estrela. Essa descoberta significa que a grande maioria das partículas presas é eliminada muito antes de poderem decair e aquecer a estrela.

Para chegar a essa conclusão, a equipe construiu uma simulação de computador detalhada de como uma estrela de nêutrons recém-nascida evolui durante seus primeiros dez segundos de vida. Eles rastrearam os caminhos de milhões dessas partículas hipotéticas enquanto a estrela se contraía e resfriava. Eles descobriram que a gravidade da estrela puxa as órbitas das partículas para dentro, fazendo com que muitas delas colidam com a estrela. Uma vez dentro, as partículas são absorvidas pela densa matéria nuclear em questão de minutos ou até segundos, um processo muito mais rápido do que o tempo que levam para decair. As únicas partículas que sobrevivem são aquelas nascidas nas camadas externas da estrela com a velocidade e a direção certas para permanecer em uma órbita circular segura, longe da superfície. Esses sobreviventes são raros, carregando apenas uma fração minúscula do calor que teorias anteriores haviam previsto.

Essa descoberta força uma revisão importante dos limites de como essas partículas interagem com a luz. Estudos anteriores sugeriam que, se essas partículas existissem, elas aqueceriam as estrelas de nêutrons antigas a temperaturas que deveríamos detectar facilmente. Como o novo estudo mostra que a maioria das partículas é absorvida, o efeito de aquecimento é muito mais fraco do que se pensava anteriormente. Consequentemente, as regras do que é possível mudaram. Os pesquisadores descobriram que uma pequena janela de possibilidade ainda existe onde essas partículas poderiam sobreviver e aquecer uma estrela, mas as condições são muito mais rigorosas. As partículas devem ser mais pesadas e interagir com a luz de uma forma muito específica que cancele outros efeitos naturais. Mesmo com essas condições rigorosas, o estudo mostra que a mais antiga e fria estrela de nêutrons conhecida, PSR J2144−3933, ainda descarta uma gama específica de massas de partículas.

Os pesquisadores também exploraram como o tamanho da estrela de nêutrons final afeta o resultado. Eles descobriram que o raio da estrela é um fator crucial; uma estrela ligeiramente maior permite que mais partículas sobrevivam porque suas órbitas podem permanecer mais longe da superfície. Suas simulações mostraram que mudar o raio da estrela em apenas alguns quilômetros poderia alterar o número de partículas sobreviventes por um fator de quase quatro. Além disso, eles consideraram outras formas pelas quais essas partículas poderiam ser criadas, como através de interações com píons, um tipo de partícula que existe dentro da estrela. Esses processos adicionais na verdade ajudam mais partículas a sobreviver, ampliando a faixa de possíveis massas onde elas poderiam existir, mas o aquecimento geral permanece fraco.

Em última análise, este trabalho não prova que essas partículas não existem, mas prova que elas são muito mais difíceis de encontrar do que esperávamos. O sinal de "aquecimento" que os astrônomos estavam procurando é provavelmente muito fraco para ser visto com os telescópios atuais porque a estrela absorve as partículas antes que elas possam realizar seu trabalho. O estudo sugere que, se essas partículas estiverem por aí, elas estão escondidas em uma faixa muito estreita de propriedades, e encontrá-las exigirá telescópios muito mais sensíveis ou um método diferente de detecção. Os pesquisadores enfatizam que seus resultados dependem dos modelos específicos de como as estrelas de nêutrons se comportam, e observações futuras dessas estrelas poderão refinar ainda mais o quadro. Por enquanto, a nuvem fantasmagórica de partículas ao redor de uma estrela de nêutrons não é um farol quente e brilhante, mas uma coleção esparsa de sobreviventes que conseguiram esquivar-se do abraço faminto da estrela.