Brilho misterioso na Via Láctea pode ser proveniente de matéria escura

No centro da nossa galáxia, existe um brilho misterioso e difuso emitido por raios gama — uma radiação poderosa geralmente emitida por objetos de alta energia, como estrelas em rápida rotação ou em explosão.

O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA (Agência Espacial Americana) detectou o brilho logo após seu lançamento em 2008, e essa luz tem intrigado os cientistas desde então, gerando especulações sobre sua causa.

Alguns astrônomos acreditam que a fonte do brilho sejam pulsares — os restos giratórios de estrelas que explodiram — enquanto outros apontam para a colisão de partículas de matéria escura, uma forma elusiva e invisível de matéria que se acredita ser cinco vezes mais abundante que a matéria comum.

Muitos estudos anteriores encontraram suporte para ambas as ideias, mas parecia haver um problema com a teoria da matéria escura: o brilho dos raios gama parecia corresponder ao formato do bojo galáctico — uma região populosa e bulbosa no centro da Via Láctea, composta principalmente por estrelas velhas, incluindo pulsares.

Essa observação parecia apoiar a teoria dos pulsares, com especialistas teorizando que o brilho teria assumido uma forma mais esférica se sua fonte fosse a matéria escura. No entanto, os astrônomos não conseguiram observar pulsares suficientes que estariam produzindo os raios gama para fazer uma avaliação conclusiva.

Agora, novas simulações feitas usando supercomputadores mostram pela primeira vez que colisões de matéria escura também poderiam ter criado o brilho em forma de bojo, adicionando peso à teoria da matéria escura.

“Estamos na situação em que temos duas teorias, uma que postula a matéria escura e afirma que ela poderia explicar os dados que vemos, e outra [que postula] estrelas velhas”, disse Joseph Silk, professor de física e astronomia da Universidade Johns Hopkins e coautor de um estudo que detalha as novas descobertas, publicado na quinta-feira (16) na revista Physical Review Letters.

“Há 50% de chance de que possa ser matéria escura neste momento, em oposição à explicação ligeiramente mais mundana de estrelas velhas, na minha opinião.”

Evidências da matéria escura representariam uma descoberta revolucionária. O astrônomo suíço Fritz Zwicky teorizou pela primeira vez a existência da matéria escura na década de 1930, e os astrônomos americanos Vera Rubin e W. Kent Ford a confirmaram na década de 1970.

Eles notaram que as estrelas orbitando na borda das galáxias espirais estavam se movendo rápido demais para serem mantidas unidas apenas pela matéria visível e pela gravidade, e postularam que havia uma grande quantidade de matéria invisível impedindo que elas se dispersassem.

Apesar de décadas de esforço, os cientistas nunca observaram a substância misteriosa diretamente, daí o seu nome.

“Não há dúvida de que a natureza da matéria escura é um dos principais problemas pendentes da física”, disse Silk. “É algo que está em toda parte — perto de nós, longe de nós, e simplesmente não sabemos o que é.”

A Caça aos WIMPs

Existem muitas hipóteses sobre o que a matéria escura poderia ser, incluindo remanescentes de buracos negros primordiais ou um tipo de partícula ainda não descoberta.

Grande parte do esforço para encontrar a matéria escura tem se concentrado nesta última ideia, levando à construção de detectores como o LZ Dark Matter Experiment (Experimento de Matéria Escura LZ) na Dakota do Sul.

O instrumento é projetado para detectar um dos principais candidatos a matéria escura, partículas hipotéticas chamadas WIMPs — Partículas Massivas de Interação Fraca — que não absorvem luz e podem atravessar a matéria comum quase imperceptivelmente.

Os cientistas acreditam que, quando dois WIMPs se encontram, eles se aniquilam e produzem raios gama, o que os tornaria uma fonte plausível para o brilho.

O estudo de Silk usou supercomputadores para criar um mapa de onde a matéria escura deveria estar na Via Láctea, levando em conta como a galáxia se formou originalmente.

“O problema era que todos os modelos da matéria escura em nossa galáxia nos últimos 20 anos assumem que ela é basicamente como uma bola esférica. Ela não tem formato, porque esse era o modelo mais simples”, disse Silk.

“Nossa contribuição foi, pela primeira vez, fazer uma simulação de computador real da distribuição da matéria escura. E eis que descobrimos que a parte central da matéria escura, onde os raios gama estariam sendo emitidos, é, na verdade, achatada — mais parecida com o formato de um ovo.” Esse formato achatado é uma correspondência próxima aos dados do telescópico Fermi, explicou Silk.

Felizmente, a confirmação da ligação entre a matéria escura e o brilho pode não estar muito longe. Um novo instrumento, o observatório CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory), está em construção em dois locais — um no Chile e outro na Espanha — e começará a retornar dados já em 2027.

O CTAO detectará raios gama com uma resolução muito maior do que o Fermi, disse Silk, tornando possível discernir se os raios gama no centro da Via Láctea são o produto de colisões de matéria escura.

Essa descoberta seria um avanço na busca pela substância elusiva, acrescentou ele, além de oferecer provas de que pelo menos parte da matéria escura é feita de WIMPs.

Se, pelo contrário, o CTAO não vincular o brilho à matéria escura, os cientistas estariam de volta à estaca zero na busca, com todas as opções ainda sobre a mesa.

Um segredo fundamental

O estudo ajuda a reabrir a possibilidade de que a matéria escura possa explicar o brilho no centro da nossa galáxia, embora não forneça novas evidências positivas a favor da matéria escura, disse Tracy Slatyer, professora de física no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) que não esteve envolvida no estudo.

No entanto, ela não está convencida de que haja uma correspondência definitiva entre o formato da distribuição da matéria escura e o bojo estelar. “Eu achava que a hipótese da matéria escura ainda era razoável mesmo antes deste estudo”, ela acrescentou.

Este trabalho é um apoio adicional ao esforço internacional para continuar avançando na caça aos WIMPs, de acordo com Chamkaur Ghag, professor de física e astronomia na University College London, que também não participou da pesquisa de Silk.

“Eles continuam sendo uma solução muito elegante para o antigo problema da matéria escura”, acrescentou Ghag por e-mail, observando que, com ainda mais detectores de WIMPs em desenvolvimento, ver sinais dessas partículas se aniquilando no espaço significaria resolver o quebra-cabeça da matéria escura de quase um século.

Nico Cappelluti, professor associado do departamento de física da Universidade de Miami, disse que o telescópio Fermi foi um divisor de águas para a NASA, e este artigo mostra que a matéria escura ainda está firmemente na corrida para explicar o estranho brilho no centro da nossa galáxia.

“Esse mistério está vivo, e é o tipo que mantém cientistas como eu acordados à noite”, disse Cappelluti, que não participou do estudo.

Descobrir o que é a matéria escura tem sido a busca científica do nosso século, acrescentou ele, observando que “os WIMPs, essas partículas hipotéticas, têm sido nossos principais suspeitos há anos”. O fato dos experimentos na Terra ainda não os terem capturado é frustrante, disse ele.

“Mas o Fermi nos dá uma razão para continuar acreditando. Este artigo nos lembra de não riscar os WIMPs da lista ainda — eles podem, de fato, estar iluminando o centro da nossa galáxia”, disse Cappelluti. “E se isso for verdade, estamos mais perto do que nunca de descobrir um segredo fundamental do universo.”

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