Dados do observatório de raios gama Fermi dão novas pistas sobre a Matéria Escura

Uma visão de todo o céu de raios gama a partir de instrumento LAT do Fermi, sombreada para enfatizar a galáxia central. A inserção é um mapa do centro galáctico com fontes conhecidas de raios gama que foram removidas, o que revela um excesso de raios gama (vermelho, verde e azul) encontrados lá. Este excesso de emissões é consistente com aniquilação de algumas formas hipotéticas de matéria escura.
Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration e T. Linden (Univ. de Chicago)

Um novo estudo sobre os raios gama emanados a partir do centro da nossa galáxia nos traz a hipótese mais forte até agora de que algumas destas emissões podem emergir a partir da aniquilação da matéria escura, uma substância desconhecida imune a força eletromagnética, ou seja, transparente para a luz. A matéria escura constitui efetivamente na maior parte do universo material.

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

A animação acima faz um zoom em uma imagem da Via Láctea, mostrada na luz visível, e sobrepõe um mapa de raios gama do centro galáctico do Fermi, da NASA. Ao final, são mostradas transições para imagens com todas as fontes de raios gama conhecidas removidas, revelando um excesso de raios gama, insinuando a presença de matéria escura [Créditos: NASA Goddard; A. Mellinger, CMU; T. Linden, Univ. de Chicago].

Dan Hooper, astrofísico do Fermilab, Batavia, Illinois, autor principal do estudo declarou:

Os novos mapas nos permitem analisar o excesso de raios gama e testar se as explicações mais convencionais, tais como a presença de pulsares não descobertos ou colisões de raios cósmicos nas nuvens de gás, podem ser responsáveis por estas fontes. O sinal que encontramos não pode ser explicado por alternativas atualmente propostas e está em estreita concordância com as previsões de modelos bastante simples sobre matéria escura.

O centro galáctico está repleto de fontes de raios gama, causados por interação entre sistemas binários, pulsares isolados de remanescentes de supernovas e também pelas partículas colidem com o gás interestelar. Lá é também onde os astrônomos esperam encontrar a maior densidade na nossa galáxia de matéria escura, que não é afetada pela radiação e só interage com a matéria ordinária (da qual somos feitos) através da força da gravidade. Grandes quantidades de matéria escura atraem gravitacionalmente a matéria convencional, formando uma base sobre a qual as estruturas cósmicas visíveis, como as galáxias, são construídas.

Ninguém sabe ainda qual a verdadeira natureza da matéria escura, mas as WIMPs, ou melhor, as Partículas Massivas de Interação fraca (Weak), representam a classe de substâncias que lidera os possíveis candidatos a matéria escura. Os teóricos têm imaginado uma ampla gama de tipos de partículas WIMPs, algumas das quais podem mutuamente se aniquilar quando colidem entre si ou produzir partículas intermediárias que decaem rapidamente, gerando raios gama. Em ambos os cenários podemos detectar as assinaturas destes eventos através dos raios gama emanados, a forma mais energética da luz, em energias dentro da faixa de detecção do Telescópio de Grande Área Fermi (LAT).

Quando os astrônomos subtraem cuidadosamente todas as fontes de raios gama, conhecidas a partir de observações observatório FERMI LAT, do centro galáctico, faixa de sobras de emissão ainda permanecem sendo detectadas. Esse excesso se sobressai em energias entre 1 e 3 bilhões de elétron-volts (GeV), uma energia que corresponde a um bilhão de vezes maior do que a da luz visível, e se estende para fora, pelo menos, a 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 pode fornecer uma justificativa notável para o excesso de emissões no espectro da radiação gama, a sua simetria em torno do centro da galáxia e seu brilho total. Escrevendo em um artigo submetido ao Physical Review D, os pesquisadores dizem que essas características são difíceis de conciliar com outras explicações propostas até agora, apesar de saberem que outras alternativas plausíveis, que não requerem matéria escura, ainda podem ser propostas.

O co-autor Tracy Slatyer, físico teórico do MIT em Cambridge, Massachusetts, explicou:

A matéria escura nessa faixa de massa pode ser sondada por detecção direta e investigada pelo Large Hadron Collider (LHC), por isso, se esta é matéria escura, já estamos aprendendo sobre suas interações, a partir da falta de detecção até agora. Este é um cenário muito emocionante e embora o caso ainda não esteja fechado, no futuro, poderíamos muito bem olhar para trás e dizer que esta foi a primeira vez onde constatamos a aniquilação de matéria escura, gerando raios gama.

Os pesquisadores advertem que vão ser necessárias ainda várias pesquisas, em outros objetos astronômicos, via LHC (Grande Colisor de Hádrons) ou até em alguns dos experimentos de detecção direta agora a serem realizados em todo o mundo, para validar a sua interpretação da matéria escura.

Mapas de raios gama do centro da Via Láctea: à esquerda vemos um mapa de raios gama com energias entre 1 e 3,16 GeV detectados no centro da galáxia por LAT do Fermi; vermelho indica o maior número. Pulsares mais energéticos estão rotulados. Remover todas as fontes de raios gama conhecidos (direita) revela excesso de emissões que podem surgir a partir de aniquilação de matéria escura. Crédito de imagem: T. Linden, Univ. de Chicago

O co-autor Douglas Finkbeiner, professor de astronomia e física na CFA, também em Cambridge, disse:

Nosso caso é muito mais um ‘processo de eliminação de argumentos’. Fizemos uma lista, riscando fora as coisas que não deram certo, e acabamos nos deparando com a matéria escura.

Peter Michelson, professor de física na Universidade de Stanford, na Califórnia, e investigador principal LAT, explicou:

Este estudo é um exemplo de técnicas inovadoras aplicadas aos dados de Fermi pela comunidade científica. A colaboração Fermi LAT continua a examinar a região central extraordinariamente complexa da nossa galáxia, mas enquanto o presente estudo não estiver completo, não podemos confirmar nem refutar esta análise interessante.

Enquanto a grande quantidade de matéria escura esperada no centro da galáxia deve produzir um sinal forte, a concorrência de muitas outras fontes de raios gama complica ao se tentar atingir uma detecção mais precisa. Mas, transformar o problema de “cabeça par baixo” é também uma outra maneira de atacá-lo. Em vez de olhar para a maior coleção vizinha de matéria escura (o centro da galáxia) devemos investigar lugares onde o sinal dos raios gama apresenta menos desafios: as galáxias anãs vizinhas.

Galáxias anãs que orbitam a Via Láctea não têm outros tipos de emissores de raios gama energéticos em demasia e contêm grandes quantidades de matéria escura em comparação com o seu tamanho. Na verdade, estas galáxias são as estruturas cósmicas mais fortemente dominadas pela matéria escura que conhecemos. Mas há uma troca. Como elas ficam muito mais longe que o centro da nossa galáxia e contêm uma quantidade matéria escura total muito menor do que o centro da Via Láctea, as galáxias anãs produzem um sinal de rais gama muito mais fraco e exigem muitos anos de observações para se estabelecer uma detecção segura.

Aqui vemos as diversas galáxias satélites anãs esferoidais conhecidas da Via Láctea sobrepostas em uma projeção Hammer-Aitoff de 4 anos de observações do LAT (Energia > 1 GeV). As 15 galáxias anãs incluídas na análise combinada do LAT estão destacadas com círculos brancos cheios, enquanto que as demais galáxias anãs adicionais são mostradas com círculos em branco vazios. Crédito: M. Ackermann et al. (Colaboração Fermi-LAT)

Nos últimos quatro anos, a equipe do Fermi LAT tem buscado nas galáxias anãs possíveis pistas para a matéria escura. Os resultados publicados destes estudos estabeleceram limites rigorosos sobre as faixas de massa e propostas para taxas de interação para muitos WIMPs, mesmo eliminando alguns modelos. Na maioria dos resultados recentes do estudo, publicado na Physical Review D em 11 de fevereiro, a equipe do Fermi tomou conhecimento de um excesso pequeno, mas provocador, de raios gama.

“Há uma provabilidade de 1 em 12 de que estamos vendo nas galáxias anãs não é nem mesmo algum sinal, pode ser apenas uma flutuação na energia dos raios gama”, explicou Elliott Bloom, membro da Colaboração LAT no Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia, localizado em junto no Laboratório de Acelerador SLAC National e da Universidade de Stanford. Se isso for real, o sinal deve crescer mais forte quando o Fermi concluir mais alguns anos de observações adicionais, além das novas estrelas anãs ainda a serem descobertas em todo o campo pesquisas astronômicas. “Se nós, em última análise vermos um sinal significativo”, acrescentou ele, “tal poderá ser uma forte confirmação da presença de sinal de matéria escura oriunda do centro da galáxia.”