Dados do telescópio Fermi trazem novas pistas sobre a matéria escura

A imagem da esquerda é um mapa de raios gama com energias entre 1 e 3 bilhões de elétron-volts (GeV) detectados no centro da galáxia pelo Telescópio de Grande Área do Fermi (LAT); a cor vermelha indica o maior número. Pulsares proeminentes foram rotulados. Removendo-se todas as fontes de raios gama conhecidos (imagem da direita) revela o excesso de emissões que podem surgir a partir de aniquilação de matéria escura. Créditos: T. Linden, Universidade de Chicago

 Um novo estudo da luz de raios gama vindos a partir do centro da nossa galáxia torna o caso mais forte até agora de que algumas destas emissões podem surgir a partir de matéria escura, uma substância desconhecida que compõe a maior parte do Universo material.

 Utilizando dados publicamente disponíveis do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA, os cientistas independentes do Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA), Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade de Chicago desenvolveram novos mapas que mostram que o centro da nossa galáxia produz raios gama de alta energia, mais do que pode ser explicado por fontes conhecidas, e que este excesso de emissões está de acordo com algumas formas de matéria escura.

 “Os novos mapas nos permitem analisar e testar com explicações mais convencionais, tais como a presença de pulsares não descobertos ou colisões de raios cósmicos nas nuvens de gás, se esse excesso pode ser responsável por isso”, disse Dan Hooper, um astrofísico do Fermilab, em Batavia, Illinois, e autor principal do estudo.

 “O sinal que encontramos não pode ser explicado por alternativas atualmente propostas e esta em estreita concordância com as previsões de modelos muito simples de matéria escura”.

 O centro galáctico está repleto de fontes de raios gama, de sistemas binários interagindo, pulsares isolados de remanescentes de supernovas e partículas que colidem com o gás interestelar. É também onde os astrônomos esperam encontrar na galáxia uma maior densidade de matéria escura, que só afeta a matéria normal e a radiação através de sua gravidade.

 Grandes quantidades de matéria escura atraem matéria normal, formando uma base sobre a qual as estruturas visíveis, como as galáxias, são construídas. Ninguém sabe a verdadeira natureza da matéria escura, mas Interações Fracas de Partículas Maciças, ou WIMP’s, representam uma classe de liderança de candidatos.

 Os teóricos têm imaginado uma ampla gama de tipos de WIMP, alguns dos quais podem mutuamente aniquilar ou produzir uma partícula, deteriorando rapidamente quando essas colidem. Ambos esses caminhos terminam na produção de raios gama - a forma mais energética de luz - em energias dentro da faixa de detecção do Telescópio de Grande Área do Fermi (LAT).

 Quando os astrônomos subtraem cuidadosamente todas as fontes de raios gama conhecidos, a partir de observações do centro galáctico através do LAT, um pedaço de emissão que sobra permanece. Esse excesso aparece mais proeminente em energias entre 1 e 3 bilhões de elétron-volts (GeV) - cerca de um bilhão de vezes maior do que a da luz visível - e se estende para fora, por pelo menos 5,000 anos-luz do centro galáctico.

 Hooper e seus colegas concluem que a aniquilação de partículas de matéria escura com uma massa entre 31 e 40 GeV proporcionam um ajuste notável para o excesso, com base em seu espectro de raios gama, para sua simetria em torno do centro da galáxia e seu brilho total.

 Escrito em um artigo apresentado à revista Physical Review D, os pesquisadores afirmam que essas características são difíceis de conciliar com outras explicações propostas até agora, embora observem que as alternativas plausíveis que não requerem matéria escura podem ainda materializar.

 “A matéria escura nessa faixa de massa pode ser sondada por detecção direta e pelo Grande Colisor de Hádrons (LHC), por isso, se esta é a matéria escura, já estamos aprendendo sobre suas interações com a falta de detecção até agora”, disse o co-autor da pesquisa Tracy Slatyer, físico teórico do MIT em Cambridge, Massachusetts.

 “Este é um sinal muito estimulante e, enquanto o caso ainda não está encerrado, no futuro poderia muito bem olhar para trás e dizer que este foi onde vimos a aniquilação de matéria escura pela a primeira vez”.

Essa animação faz zoom em uma imagem da Via Láctea, mostrada na luz visível, e sobrepõe um mapa de raios gama do centro galáctico feito pelo telescópio Fermi, da NASA. Transições de dados brutos foram removidas para uma exibição com todas as fontes conhecidas, revelando um excesso de raios gama insinuando a presença de matéria escura. Créditos: NASA Goddard; A. Mellinger, CMU; T. Linden, Universidade de Chicago
 

 Os pesquisadores advertem que ainda vai demorar e serão necessários vários avistamentos - em outros objetos astronômicos, no LHC ou em alguns dos experimentos de detecção direta sendo realizados agora em todo o mundo - para validar a sua interpretação da matéria escura.

 “Nosso caso é muito mais argumentação e um processo de eliminação”.

 “Fizemos uma lista, riscamos fora coisas que não deram certo e tudo acabou em matéria escura”, disse o co-autor Douglas Finkbeiner, professor de astronomia e física na CfA, também em Cambridge.

 “Este estudo é um exemplo de técnicas inovadoras aplicadas aos dados do Fermi pela comunidade científica”, disse Peter Michelson, professor de física na Universidade de Stanford, na Califórnia, e investigador principal do LAT.

 “A colaboração no Fermi LAT continua a examinar a extraordinariamente complexa região central da galáxia, mas até que o estudo seja concluído não podemos confirmar nem refutar esta análise interessante”.

 Embora a grande quantidade de matéria escura esperada no centro da galáxia deva produzir um sinal forte, a concorrência de muitas outras fontes de raios gama complica qualquer caso para uma boa detecção. Mas transformar o problema em sua cabeça fornece uma outra maneira de atacá-lo. Ao invés de olhar para a maior coleção vizinha de matéria escura, olhe onde o sinal tem menos desafios.

 Galáxias anãs que orbitam a Via Láctea não têm outros tipos de emissores de raios gama e contém grandes quantidades de matéria escura para o seu tamanho - na verdade, elas são as maiores fontes de matéria escura já conhecidas. Mas há uma desvantagem.

 Por elas estarem muito distantes e conter matéria escura total muito menor do que a do centro da Via Láctea, galáxias anãs produzem um sinal muito mais fraco e exigem muitos anos de observações para estabelecer uma detecção segura.

 Nos últimos quatro anos, a equipe do LAT vem pesquisando galáxias anãs para obter dicas sobre a matéria escura. Os resultados publicados destes estudos estabeleceram limites rigorosos sobre as faixas de massa e taxas de interação para muitos WIMP’s propostos, mesmo eliminando alguns modelos.

 Na maioria dos resultados recentes desse estudo, publicado na Physical Review D em 11 de fevereiro, a equipe do Fermi tomou conhecimento de um pequeno, mas provocador, excesso de raios gama.

 “Há cerca de uma chance em 12, de que aquilo que estamos vendo nas galáxias anãs não é nem mesmo um sinal para tudo, apenas uma flutuação de fundo de raios gama”, explicou Elliott Bloom, membro e colaborador do LAT, no Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia, localizado em conjunto ao Laboratório Nacional de Aceleradores, SLAC, da Universidade de Stanford.

 Se forem reais, os sinais devem crescer ainda mais enquanto o telescópio Fermi adquire mais anos de observações e todo o grande campo de pesquisas astronômicas descobrem novas galáxias anãs.

 “Se nós, em uma última análise, virmos um sinal significativo”, acrescentou ele, “poderia ser uma forte confirmação do sinal de matéria escura vinda do centro galáctico”.

‣ Fonte (em inglês): NASA
Colaboração: Ivan Lopes