Matéria escura é luz convertida em outras partículas? Entenda novo estudo sobre áxions

A matéria escura é uma forma desconhecida de matéria que corresponde a cerca de 27% do tudo que há no Universo. Esse tipo de matéria não emite, absorve ou reflete luz então não é possível observá-la de forma direta. Sua presença é observada através de interações gravitacionais como efeitos gravitacionais na dinâmica de galáxias ou relação entre aglomerados de galáxias.

Há diversas possibilidades para o que é matéria escura. Uma dessas possibilidades é uma partícula hipotética chamada áxion. Apesar da sua existência ter sido proposta dentro da Mecânica Quântica, elas também acabaram oferecendo respostas sobre matéria escura se tornando uma candidata à matéria escura. Elas serias partículas extremamente pequenas e interagiriam muito fracamente com outras partículas.

Um estudo publicado na Physical Review Letters publicou resultados em relação à busca de áxions ao maper uma distribuição do halo galáctico. A ideia foi utilizar dados do satélite Planck para estudar a distribuição da radiação cósmica de fundo em diferentes regiões do halo. Caso encontrado algumas diferenças ou padrões em sinais extragalácticos seria possível mostrar a influência de áxions na luz que passa pelo halo galáctico e provaria sua existência.

Áxions

Dentro da cromodinâmica quântica, a teoria quântica de campos das interações fortes, há um problema chamado de violação da simetria CP. Esse problema acontece porque há evidências que simetria de matéria e antimatéria é quebrada. Os áxions foram propostos para resolver esse problema já que teriam massa extremamente pequena, carga neutra e interagiriam fracamente com outras partículas.

Segundo a descrição dessa partícula hipotética, uma das principais propriedades é a sua capacidade de se converter em fótons quando está na presença de campos magnéticos fortes. Por isso, diversos experimentos utilizam campos magnéticos fortes tanto em laboratórios quanto em objetos astrofísicos para buscar os áxions, mas a massa e a pouca interação é um desafio na observação.

Áxions são matéria escura?

Por causa da massa pequena e baixa interação, os áxions já são conisderados partículas difíceis de serem detectadas. Isso aumenta quando há uma tendência de que essas partículas formam um "halo" ao redor das galáxias. Esse halo de áxions poderia explicar diferentes efeitos gravitacionais que são observados mesmo com a interação sendo extremamente baixa. Por isso, eles seriam candidatos ideais para compor a matéria escura fria.

Alguns estudos usam fenômenos astrofísicos como luz de quasares, supernovas e a radiação cósmica de fundo para investigar a presença dos áxions. Eles teriam efeitos na luz que observamos tanto em telescópios terrestres quanto em telescópios espaciais. Com isso seria possível mapear a distribuição de áxions e comparar com a distribuição de matéria escura.

Formação no halo galáctico

Na presença de um campo magnético forte, um áxion pode se tornar um fóton ou um fóton pode se tornar um áxion. Esse mecanismo é chamado de oscilação axion-fóton que é muito semelhante à oscilação de neutrinos entre diferentes sabores. A probabilidade dessa conversão ocorrer depende do meio pelo qual os fótons estão viajando. Um dos meios propícios são os halos galáctico que são regiões ao redor das galáxias com baixa densidade, alta ionização e forte magnetização.

Para detectar essas oscilações nos halos galácticos, é necessário entender de onde vem cada fóton, ou seja, de onde é cada fonte de luz. Uma das fontes mais conhecidas é a radiação cósmica de miicro-ondas (CMB), remanescente do Big Bang. Sua distribuição é uniforme e mapeada com precisão. O experimento analisou se o CMB se torna ligeiramente mais fraco em regiões do céu que coincidem com halos galácticos.

O que encontraram?

No caso de regiões tendo CMB mais fraco, isso poderia indicar a conversão de fótons em áxions A ideia é buscar correlações entre essas variações na intensidade do CMB e a localização das galáxias para encontrar as evidências. Os pesquisadores criaram um modelo dos halos galácticos pelos quais os fótons do CMB atravessam. E utilizaram simulações como o IllustrisTNG para modelar a distribuição de elétrons e campos magnéticos dentro dos halos galácticos.

Os resultados encontrados mostraram uma relação entre a posição dos galos e possíveis oscilações axion-fóton. Ao comparar os dados observados com as previsões para áxions com diferentes massas, os resultados são compatíveis com zero, sugerindo que nenhuma evidência clara foi encontrada. No entanto, isso não descarta a existência dos áxions, pois o estudo é sensível apenas a uma faixa específica de massa.

Referência da notícia

Goldstein et al. 2025 Constraints on axions from patchy screening of the cosmic microwave background Physical Review Letters