A matéria escura é um dos maiores mistérios não resolvidos da física moderna. Os astrónomos estão confiantes na sua existência e estimam que contém cerca de um quarto do conteúdo energético total do Universo, mas os cientistas ainda não sabem do que é feito.
As duas principais possibilidades são conhecidas como partículas hipotéticas. ultraleve eixo E fóton escuro. Na faixa de massa examinada pelos pesquisadores, essas partículas seriam excepcionalmente leves, cerca de 19 a 21 ordens de grandeza mais leves que um elétron.
Transformando a Terra em um detector gigante de matéria escura
Muitos experimentos convencionais com axônios tentam converter axônios em fótons, expondo-os a campos magnéticos extremamente fortes dentro de laboratórios. O desafio é a escala. Mesmo poderosos ímãs de laboratório só podem cobrir uma área relativamente pequena.
Pesquisadores da Universidade de Kyoto, da Universidade de Hiroshima e da Universidade de Nihon procuraram uma maneira de contornar essa limitação. Em vez de depender apenas de equipamento de laboratório, ele perguntou se o próprio ambiente magnético da Terra poderia ser usado como parte da experiência.
“Nós nos perguntamos se poderíamos usar a Terra como um detector gigante na busca”, diz o autor correspondente, Atsushi Taruya. “A cavidade Terra-ionosfera atua como um ressonador natural que amplifica as ondas eletromagnéticas em torno da faixa de massa que queríamos investigar.”
A região entre a superfície da Terra e a ionosfera pode naturalmente ressoar com ondas eletromagnéticas, como uma grande cavidade. Isto tornou-o particularmente útil para procurar sinais associados às partículas ultraleves que a equipa queria investigar.
Estendendo a pesquisa para frequências mais altas
Uma limitação era que a teoria anterior só conseguia descrever com segurança frequências abaixo de 1 Hz. Isso deixou grande parte da faixa de frequência potencialmente útil desconhecida.
Para resolver este problema, os pesquisadores desenvolveram um novo quadro teórico que incorpora a condutividade elétrica da atmosfera. Os seus cálculos mostraram que a cavidade Terra-ionosfera poderia amplificar sinais próximos de 8 Hz e permitir-lhes fazer previsões fiáveis até cerca de 30 Hz.
O modelo também previu uma diferença significativa entre os dois candidatos à matéria escura. Os sinais produzidos pelos eixos devem variar dependendo da localização, sendo esperado que o sinal seja mais forte no Sudeste Asiático. Os sinais escuros de fótons, em contraste, deveriam aparecer aproximadamente com a mesma intensidade em todo o mundo.
Uma década de dados magnéticos postos à prova
Usando esta estrutura, a equipe examinou quase 10 anos de medições geomagnéticas coletadas entre 2012 e 2022 pelo Observatório Eskdalemuir do British Geological Survey.
Os pesquisadores primeiro removeram fontes artificiais de ruído dos dados. Procuraram então um sinal estável concentrado numa faixa de frequência muito estreita, que se espera que seja gerado pela matéria escura durante longos períodos de tempo. Os resultados foram então submetidos à análise estatística.
A mesma abordagem teórica também foi aplicada ao fóton escuro. Ao contrário dos axônios, os fótons escuros podem gerar ondas eletromagnéticas mesmo quando não há campo magnético presente, por isso os pesquisadores pesquisaram no conjunto de dados diferentes assinaturas produzidas por essas partículas.
Limites fortes e candidatos a sinais misteriosos
Ao usar efetivamente toda a Terra como um detector para uma determinada faixa de massa dos áxions, os pesquisadores estabeleceram novos limites para a intensidade com que os áxions podem interagir com a luz.
Esses limites foram cerca de 100 vezes mais rigorosos do que os melhores resultados anteriores de um experimento terrestre. Eles também eram competitivos com as restrições estimadas a partir de observações astrofísicas de raios X feitas por observatórios como o Chandra e o NuSTAR, embora esses limites astrofísicos dependam de alguns pressupostos teóricos.
A busca por fótons escuros produziu resultados particularmente interessantes. Os pesquisadores identificaram vários candidatos a sinais que poderiam ter origem na matéria escura. No entanto, a fonte desses sinais permanece desconhecida e não foram confirmadas como evidência de matéria escura.
Portanto, a verdadeira identidade da matéria escura permanece sem solução. No entanto, o novo quadro teórico poderá dar aos investigadores uma forma poderosa de utilizar o ambiente electromagnético natural da Terra como uma ferramenta para expandir futuras descobertas e investigar algumas das formas mais leves possíveis de matéria escura.
