Há muitas coisas misteriosas acontecendo no centro da Via Láctea. O buraco negro supermassivo que reside lá é o principal deles. Mas há outro quebra-cabeça intrigante: uma região esférica inesperada de emissões intensas de raios gama.
Um novo estudo sugere que a matéria escura pode estar por trás dessas emissões.
Existem muitas fontes de raios gama no universo, e a maioria delas é bem compreendida. Pulsares, magnetares e quasares produzem raios gama. Mas eles podem explicar os raios gama vindos do centro de nossa galáxia?
Os raios gama são poderosos. Eles são uma forma de radiação eletromagnética penetrante produzida pelos fenômenos mais energéticos do Universo. Eles têm os menores comprimentos de onda de qualquer tipo de radiação eletromagnética e a maior energia de fótons.
O excesso de raios gama no coração da Via Láctea é conhecido pelos físicos, e eles chamam de excesso de centro galáctico (ECG). Sabemos muito sobre a Via Láctea, e esse conhecimento reduziu as explicações para a ECG até duas possibilidades principais: uma população de pulsares, que são estrelas de nêutrons em rotação rápida, ou matéria escura. Os físicos pensam que, se é matéria escura, existe em uma densa nuvem no centro da galáxia, colidindo consigo mesma e se aniquilando para produzir raios gama.
Em 2015, um estudo mostrou que a fonte do GCE era de fato pulsares e a matéria escura não estava envolvida. Esse estudo veio de uma equipe de pesquisadores de Princeton e MIT, incluindo o professor associado de física Tracy Slatyer. Eles usaram observações do centro galáctico realizado com o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi, juntamente com um modelo que descreve todas as interações na Via Láctea que poderiam produzir raios gama. Eles concluíram que os pulsares eram responsáveis.
Mas um novo estudo, também envolvendo Slatyer, do MIT, parece ter derrubado esses resultados e apontado a matéria escura como a fonte de todos esses raios gama.
O novo estudo é intitulado "Renascimento da hipótese da matéria escura para o excesso de raios gama do Centro Galáctico" e é publicado na Physical Review Letters. Os autores são Tracy Slatyer, do Centro de Física Teórica do MIT, e Rebecca Leane, da Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados. O estudo deles diz que há um problema com o anterior e seus resultados não são confiáveis. Uma contribuição da matéria escura para o GCE poderia ter passado despercebida.
A dificuldade em restringir o GCE a pulsares ou matéria escura se resume à maneira como os fótons são emitidos e à nossa capacidade tecnológica de detectá-los. Os raios gama da matéria escura seriam difusos, enquanto os dos pulsares seriam fontes pontuais mais concentradas. Em 2015, todos os raios gama pareciam difusos, mas isso pode ser porque as fontes pontuais parecem difusas para os nossos telescópios, que têm resolução espacial limitada. Em 2015, os pesquisadores concluíram que os pulsares eram responsáveis.
A Via Láctea é mais ou menos plana, com uma protuberância no centro. Os raios gama ocupam uma região esférica no centro, com cerca de 5.000 anos-luz de raio. O método desenvolvido por Slatyer e seus colegas em 2015 tentou resolver se essa região esférica era "suave" ou se era "granulada". Seu raciocínio era que, se os pulsares são a fonte dos raios gama, esses raios gama devem fazer com que a região esférica pareça granulada. Haveria lacunas escuras entre os raios gama, onde não havia fontes pulsares.
Mas se os raios gama vieram da matéria escura, a região esférica seria suave. "Toda linha de visão em direção ao centro galáctico provavelmente tem partículas de matéria escura, então não devo ver brechas ou pontos frios no sinal", explicou Slatyer.
Eles desenvolveram um modelo que representava toda a matéria e gás da Via Láctea e todas as interações de partículas que poderiam produzir raios gama. Depois, eles consideraram modelos para a região esférica do GCE granulados ou lisos e um método estatístico para diferenciá-los. Em seguida, eles pegaram esse modelo e inseriram observações reais do Telescópio Espacial Fermi, para ver se as observações se encaixavam em um perfil granulado ou suave.
Se as observações se encaixarem em um perfil granulado, os pulsares podem explicar os raios gama. Se eles se encaixam em um perfil suave, a matéria escura pode explicá-los. O perfil granulado era um ajuste esmagador.
"Vimos que era 100% granulado e, por isso, dissemos: 'Oh, a matéria escura não pode fazer isso, então deve ser outra coisa'", lembra Slatyer. “Minha esperança era que este fosse apenas o primeiro de muitos estudos da região do centro galáctico usando técnicas semelhantes. Mas em 2018, as principais verificações cruzadas do método ainda eram as que fizemos em 2015, o que me deixou bastante nervoso por termos perdido alguma coisa. ”
Eventualmente, Slatyer e Leane decidiram testar o modelo. Slatyer estava preocupado com o fato de não ser suficientemente robusto. Eles decidiram criar um mapa "falso" do céu, incluindo um sinal de matéria escura e pulsares que não estavam associados ao GCE. Eles o introduziram no modelo e, embora seus dados contivessem um sinal falso de matéria escura, o modelo concluiu que era granulado e, portanto, dominado pelo pulsar. Segundo Slatyer, isso era uma prova de que o modelo deles não era à prova de falhas e que ainda havia espaço para a matéria escura desempenhar um papel no GCE.
"Se é realmente matéria escura, esta seria a primeira evidência de matéria escura interagindo com a matéria visível através de outras forças que não a gravidade."
Rebecca Leane, coautora da Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados.
Em seguida, um colega sugeriu que os pesquisadores adicionassem um sinal falso de matéria escura combinado com observações Fermi reais para testar seu modelo, em vez de um mapa de fundo falso.
Eles fizeram isso e seu modelo estatístico falhou no teste. Apesar do sinal suave de matéria escura, o modelo retornou um resultado granulado, dominado por pulsar. Eles aumentaram seu sinal de matéria escura para quatro vezes o tamanho do GCE real e ainda assim seu modelo não conseguiu detectá-lo.
"Nessa fase, eu estava bastante empolgado, porque sabia que as implicações eram muito grandes - significava que a explicação da matéria escura estava de volta à mesa", diz Leane.
Se esses resultados mais recentes estiverem corretos, é um grande negócio.
"Se é realmente matéria escura, esta seria a primeira evidência de interação da matéria escura com a matéria visível através de outras forças que não a gravidade", diz Leane. “A natureza da matéria escura é uma das maiores questões em aberto da física no momento. Identificar esse sinal como matéria escura pode nos permitir finalmente expor a identidade fundamental da matéria escura. Não importa qual seja o excesso, aprenderemos algo novo sobre o universo. ”
"É emocionante porque pensamos ter eliminado a possibilidade de que isso seja matéria escura", disse Slatyer em comunicado à imprensa. "Mas agora há uma brecha, um erro sistemático na reivindicação que fizemos. Ele reabre a porta para que o sinal venha da matéria escura.
Este novo resultado foi publicado na edição de 11 de dezembro da revista Physical Review Letters.
Mais:
- Comunicado de imprensa do MIT: Existe matéria escura no centro da Via Láctea?
- Artigo: Revivificação da hipótese da matéria escura para o excesso de raios gama do Centro Galáctico
- Wikipedia: Partículas maciças com fraca interação (WIMPs)
