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Via Láctea: Sinais da Matéria Escura em dúvida após novos artigos controversos

Novas análises questionam se a luz misteriosa de raios gama e raios-x na galáxia realmente provém de uma massa invisível

Matéria negra decadente deveria produzir uma aréola clara e esférica de emissões de raio-x ao redor do centro da Via Láctea que poderia ser detectado quando observado em outras regiões da galáxia. Crédito: Christopher Dessert, Nicholas Rodd, Benjamin Safdi, Telescópio espacial Fermi de raios gama.

Sabemos que está lá, mas não sabemos o que é: esse material invisível é a matéria escura. Os cientistas têm certeza de que ele domina o cosmo, mas seus ingredientes não são claros. Durante algum tempo, os astrofísicos ficaram excitados com dois possíveis sinais de matéria escura no espaço: um excesso inexplicável de emissão de raios gama no centro da Via Láctea e um misterioso pico na emissão de raios-x detectado em outras galáxias e aglomerados de galáxias. Os sinais foram interpretados como possíveis evidências da matéria escura se aniquilar e se decompor em partículas diferentes, respectivamente, mas dois novos trabalhos parecem arrefecer as esperanças. Alguns dizem que é hora de procurar diferentes rotas para a matéria escura. Outros pesquisadores, no entanto, sustentam que qualquer um desses sinais ainda pode vir a ser a resposta.

O pico de raios-x, visto como uma linha brilhante de emissão a uma energia de 3.500 elétron-volts (3,5 keV), foi detectado pela primeira vez em 2014 e agora foi identificado em vários aglomerados de galáxias, bem como na galáxia vizinha Andrômeda. A excitação aqui decorre do fato de que um candidato promissor à matéria escura, uma espécie de partícula conhecida como neutrino estéril (partículas semelhantes aos neutrinos comuns, exceto por serem muito mais massivas e não interagirem com a força fraca), deve decair naturalmente na matéria comum e produzir exatamente esse tipo de linha de emissão. Recentemente, Benjamin Safdi, da Universidade de Michigan e seus colegas, decidiram procurar essa linha em nossa própria galáxia, analisando uma enorme quantidade de dados do telescópio X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton). A equipe capturou imagens de vários objetos que haviam sido coletadas para outros fins e as isolou para procurar no escuro do “espaço vazio” ao lado da luz de 3,5 keV. Depois de acumular o tempo total de exposição de cerca de um ano, os pesquisadores não viram sinais do aumento. Suas descobertas foram divulgadas hoje na Science. “Infelizmente, não vimos nada”, diz Safdi, “e o resultado é que a interpretação da matéria escura dessa linha é descartada por muitas ordens de magnitude”.

Caso encerrado? Não exatamente. Inúmeros astrônomos de raios-x discordam dos métodos dos pesquisadores e afirmam que esse fenômeno provavelmente está presente em nossa galáxia e ainda é um forte candidato à matéria escura. “Tenho várias reservas sobre a parte técnica do trabalho”, diz Nico Cappelluti, da Universidade de Miami. “A técnica que eles usam não é padrão. E então eu acho que as conclusões que eles tiram são um pouco apressadas.” Outro físico, Alexey Boyarsky, da Universidade de Leiden, na Holanda, coloca isso de maneira mais direta. “A maioria dos especialistas que conheço acredita que o principal resultado do trabalho está errado”, diz ele. “Não vejo como eles podem afirmar que essa linha não existe nesses dados”.

Boyarsky e seus colaboradores também examinaram os dados XMM-Newton para a linha de raios-x e lançaram um documento de pré-print em dezembro de 2018, alegando que eles haviam sido detectados na Via Láctea com forte significado estatístico. A diferença, diz ele, é que a equipe de Safdi analisou uma faixa de energia muito estreita e, portanto, não conseguiu separar com precisão a radiação de fundo inerente a todos os dados do telescópio, do pico em questão. Safdi rebate que sua técnica de análise, apesar de nova na astronomia de raios-x, provou-se eficaz em pesquisas de física de partículas, incluindo pesquisas de matéria escura no Large Hadron Collider (LHC) no CERN, perto de Genebra. “Toda vez que você traz uma nova estrutura de análise para um campo, há muita controvérsia sobre seus méritos. Está faltando alguma coisa?” ele diz. “Nossa opinião é que esta é uma maneira mais robusta de analisar os dados, o que torna menos provável que você esteja se enganando ao ver algo que realmente não existe”. Dos resultados de Boyarsky e seus colegas, Safdi diz: “meu melhor palpite é que o que eles veem em suas análises é uma flutuação estatística ou uma questão sistemática”.

Ainda assim, muitos cientistas dizem que o sinal de raios-X continua sendo um caminho promissor até a matéria escura. “Acho que, para a linha de 3,5 keV, para dizer algo significativo, precisamos de novas tecnologias”, diz Esra Bulbul, do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre em Garching, Alemanha, que, com seus colegas, detectou pela primeira vez a linha no Cluster da galáxia Perseus em 2014. A Missão de Imagem e Espectroscopia de Raios-X (XRISM), liderada pela Agência de Exploração Aeroespacial do Japão e com lançamento previsto para 2022, deve fornecer evidências definitivas sobre se esse sinal existe e corresponde às características esperadas da matéria escura. “Antes disso, não ficarei convencido de que a origem da matéria escura da linha seja excluída”, diz Bulbul.

 DESTRUIÇÃO DE MATÉRIA ESCURA

 O outro elo potencial para o lado escuro, a inexplicável luz de raios gama no centro de nossa galáxia, sugere não a deterioração da matéria escura, mas sua destruição. Nesse cenário, a substância misteriosa pode ser matéria e antimatéria. Assim, quando duas partículas de matéria escura se encontram, elas podem se aniquilar, criando raios gama no processo. O sinal de raios gama foi visto pela primeira vez em 2009 em dados do Telescópio Espacial Fermi, e os cientistas debatem sua procedência desde então. Embora a luz se encaixe nos modelos de matéria escura, poderia ser mais mundana, talvez criada por muitas estrelas giratórias de nêutrons chamadas pulsares no coração da Via Láctea.

Um novo estudo liderado por Ryan E. Keeley, do Instituto de Ciências Espaciais e Espaciais da Coreia, e Oscar Macias, do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo da Universidade de Tóquio, analisou de perto o padrão dos raios gama em termos de seus propagação espacial e sua energia. Os pesquisadores descobriram que a luz corresponde à forma das estrelas regulares, emissão de gás e galáctica a partir da “protuberância” no centro de nossa galáxia, melhor do que modelos de como os subprodutos da energia escura agiriam. “Com isso, já que temos um melhor ajuste, a questão é: quanto espaço resta para a matéria escura?” diz Kevork Abazajian, da Universidade da Califórnia, Irvine, que contribuiu para o artigo, que foi submetido à Physical Review D e publicado no servidor de pré-impressão arXiv.org. A resposta, eles descobriram, não é muito. “Colocamos maiores restrições à teoria da aniquilação da matéria escura até o momento”.

Aqui, também, os cientistas não estão prontos para jogar a toalha. “O artigo traz novas evidências interessantes que devem ser levadas em consideração”, diz Cappelluti. “Essa é outra medida muito complicada. Definitivamente, é algo que não devemos abandonar e devemos continuar investigando. ” Tracy Slatyer, um físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, concorda. “Esta é uma análise muito boa, mas depende se o modelo galáctico de fundo e se o sinal que temos é bom o suficiente”, diz ela. “Eu me preocupo que esses modelos possam não ser bons o suficiente para tirar essas conclusões”.

Nos últimos anos, outros estudos descobriram que o excesso de raios gama da Via Láctea parece mais provável vir de “fontes pontuais” de luz – como aquelas que podem ser produzidas por pulsares – em vez de uma propagação suave de emissões – como seria ser criado pela matéria escura. Slatyer e sua colega de M.I.T. Rebecca Leane, no entanto, descobriram que um efeito sistemático poderia influenciar essas pesquisas em direção a essa resposta e que os pulsares não são necessariamente mais favorecidos que a matéria escura. “Esse efeito pode simular uma forte preferência pelos tipos de fontes de pontos brilhantes encontrados pelas análises anteriores”, diz Slatyer. “Isso não significa que não pode haver fontes pontuais no excesso, e isso não significa que o excesso é matéria escura. Mas devemos ser cautelosos com as análises anteriores que afirmam que o devem ser as fontes pontuais.”

 CRISE EXISTENCIAL

 Por fim, os cientistas ficam coçando a cabeça com o comportamento extremamente estranho de 85% da massa no universo. Os novos estudos que desacreditam os supostos sinais de matéria escura em nossa galáxia os fazem duvidar que a matéria escura exista? “Não”, diz Abazajian, “a matéria escura das partículas é tão consistente com o que foi observado, desde a escala subgaláctica até o horizonte do cosmo, que está, basicamente, sem dúvida, lá”.

 Embora sua fé na existência da matéria escura seja inabalável, a esperança dos cientistas de encontrá-la pode ter diminuído. As evidências astrofísicas não são apenas ilusórias, mas os experimentos de detecção direta com o objetivo de capturar as partículas responsáveis​​falharam até agora. E as buscas no LHC também foram infrutíferas. “Nós não a vemos no laboratório, não no LHC e também não no céu”, lamenta Abazajian. “Existe um tipo de crise existencial na física de partículas”.

E a incapacidade dos cientistas de encontrar matéria escura torna sua verdadeira identidade mais incerta do que nunca. Os principais candidatos à matéria escura, as WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), estão praticamente descartadas por não terem aparecido em experimentos de detecção direta – e possivelmente também, pelos novos limites, segundo a publicação de Abazajian. “Grande parte do Modelos Padrão, para o que as pessoas pensavam que a matéria escura seria, foi descartada”, diz Safdi. “Muitas pessoas pensaram que as WIMPs quase certamente existiriam. Em certo sentido, é um tempo desanimador. Mas, em outro sentido, é muito empolgante, porque significa que todos nós estamos brainstorming, voltando ao básico, pensando sobre o que a matéria escura pode ser.”

 Clara Moskowitz

Tradução: Roger Bonsaver

01/04/2020