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Em um novo estudo, os pesquisadores deram um passo importante para entender como a explosão de estrelas pode ajudar a revelar como os neutrinos, misteriosas partículas subatômicas, interagem secretamente entre si.
Uma das partículas elementares menos compreendidas, os neutrinos raramente interagem com a matéria normal e, em vez disso, viajam invisivelmente através dela quase à velocidade da luz. Essas partículas fantasmagóricas superam em número todos os átomos do universo e estão sempre passando inofensivamente por nossos corpos, mas devido à sua baixa massa e à falta de carga elétrica, podem ser incrivelmente difíceis de encontrar e estudar.
Mas em um estudo publicado hoje na revista Cartas de revisão físicapesquisadores da Ohio State University estabeleceram uma nova estrutura detalhando como as supernovas – explosões massivas que anunciam a morte de estrelas em colapso – podem ser usadas como ferramentas poderosas para estudar como as auto-interações de neutrinos podem causar vastas mudanças cosmológicas no universo.
“Os neutrinos têm apenas taxas muito pequenas de interação com a matéria típica, por isso é difícil detectá-los e testar qualquer uma de suas propriedades”, disse Po-Wen Chang, principal autor do estudo e estudante de pós-graduação em física no estado de Ohio. “É por isso que temos que usar a astrofísica e a cosmologia para descobrir fenômenos interessantes sobre eles.”
Considerados importantes para a formação do universo primitivo, os neutrinos ainda são intrigantes para os cientistas, apesar de terem aprendido que eles se originam de várias fontes, como em reatores nucleares ou no interior de estrelas moribundas. Mas ao calcular como as auto-interações afetariam o sinal de neutrinos da Supernova 1987A, a supernova mais próxima observada nos tempos modernos, os pesquisadores descobriram que quando os neutrinos interagem consigo mesmos, eles formam um fluido fortemente acoplado que se expande sob a hidrodinâmica relativística – um ramo da física que lida com a forma como os fluxos impactam objetos sólidos em uma das duas maneiras diferentes.
No caso do que é chamado de “fluxo de explosão”, a equipe teoriza que, assim como estourar um balão altamente pressurizado no vácuo do espaço, empurraria a energia para fora, uma explosão produz um fluido de neutrinos que se move em todas as direções. O segundo caso, descrito como um “fluxo de vento”, imagina um balão altamente pressurizado com muitos bicos, onde os neutrinos escapam a uma taxa de fluxo mais constante, semelhante a um jato de vento constante.
Embora a teoria do fluxo de vento seja mais provável de ocorrer na natureza, disse Chang, se o caso de explosão for realizado, os cientistas poderão ver novas assinaturas observáveis de neutrinos emitidas por supernovas, permitindo uma sensibilidade sem precedentes às auto-interações de neutrinos.
Uma das razões pelas quais é tão vital entender esses mecanismos é que, se os neutrinos estão agindo como um fluido, isso significa que eles estão agindo juntos, como um coletivo. E se as propriedades dos neutrinos são diferentes coletivamente e individualmente, então a física das supernovas também pode sofrer mudanças. Mas ainda não se sabe se essas mudanças são devidas apenas ao caso de estouro ou ao caso de saída.
“A dinâmica das supernovas é complicada, mas este resultado é promissor porque com a hidrodinâmica relativística sabemos que há uma bifurcação na estrada para entender como elas funcionam agora”, disse Chang.
Ainda assim, mais pesquisas precisam ser feitas antes que os cientistas possam riscar a possibilidade de o caso de explosão acontecer também dentro de supernovas.
Apesar dessas incertezas, o estudo é um grande marco na resposta à questão astrofísica de décadas de como os neutrinos realmente se espalham quando ejetados de supernovas, disse John Beacom, coautor do estudo e professor de física e astronomia no estado de Ohio. Este estudo descobriu que, no caso de explosão, é possível uma sensibilidade sem precedentes às auto-interações de neutrinos, mesmo com dados esparsos de neutrinos do SN 1987A e suposições de análise conservadora.
“Esse problema permaneceu basicamente intocado por 35 anos”, disse Beacom. “Portanto, embora não tenhamos conseguido resolver completamente como os neutrinos afetam as supernovas, o que nos entusiasma é que conseguimos dar um passo substancial à frente”.
No futuro, a equipe espera que seu trabalho seja usado como um trampolim para investigar melhor as auto-interações de neutrinos. No entanto, como apenas cerca de duas ou três supernovas acontecem por século na Via Láctea, é provável que os pesquisadores tenham que esperar mais décadas para coletar novos dados de neutrinos suficientes para provar suas ideias.
“Estamos sempre rezando para que outra supernova galáctica aconteça em algum lugar e logo, mas o melhor que podemos fazer é tentar construir o máximo possível sobre o que sabemos antes que aconteça”, disse Chang.
Outros co-autores foram Ivan Esteban, Todd Thompson e Christopher M. Hirata, todos do estado de Ohio. Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation, NASA e David & Lucile Packard Foundation.
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