Origem do sinal hipotético de matéria escura da Via Láctea pode não ser tão escura assim

O brilho excessivo do raios-gama da galáxia provém de pulsares, restos de estrelas antigas colapsadas

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Um excesso de raios-gama vindo do centro da Via Láctea é provavelmente devido a uma população de pulsares - estrelas de nêutrons se movendo rapidamente, muito densas e altamente magnetizadas que emitem "feixes" de raios-gama, como faróis cósmicos. A localização dos pulsares na região mais antiga da galáxia sugere que elas usam a energia das estrelas companheiras, o que prolonga a vida dos pulsares. A imagem de fundo mostra o centro galáctico como visto pelo observatório d raios-X Chandra da NASA. (NASA/CXC/Universidade de Massachusetts/D. Wang et al., Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Artigo traduzido de SLAC. Autor: Manuel Gnida.

Um brilho misterioso de raios-gama no centro da Via Láctea é provavelmente causado por pulsares – os núcleos incrivelmente densos, girando em alta velocidade, de estrelas antigas colapsadas que eram até 30 vezes mais massivas que o Sol. Essa é a conclusão de uma nova análise feita por uma equipe internacional de astrofísicos, incluindo pesquisadores do SLAC. Os resultados lançam dúvidas sobre as interpretações anteriores do sinal como um sinal potencial de matéria escura – uma forma de matéria que responde por 85% de toda a matéria no universo, mas que até agora não foi detectada.

“Nosso estudo mostra que não precisamos de matéria escura para entender as emissões de raios-gama de nossa galáxia”, disse Mattia Di Mauro, do Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas (KIPAC), um instituto conjunto da Universidade de Stanford e da SLAC. “Em vez disso, identificamos uma população de pulsares na região ao redor do centro galáctico, que lança nova luz sobre a história da formação da Via Láctea”.

Di Mauro liderou a análise para a Colaboração LAT do Fermi, uma equipe internacional de pesquisadores que analisou o brilho com o Large Area Telescope (LAT) no Fermi Gamma-ray Space Telescope da NASA, que orbita a Terra desde 2008. O LAT – um sensível “olho” para raios-gama, a forma mais energética de luz – foi concebido e montado na SLAC, que também abriga o seu centro de operações.

As conclusões da colaboração, submetidas ao The Astrophysical Journal para publicação, estão disponíveis como pré-impressão.

Um brilho misterioso

A matéria escura é um dos maiores mistérios da física moderna. Os pesquisadores sabem que a matéria escura existe porque dobra a luz de galáxias distantes e afeta a forma como galáxias giram. Mas eles não sabem do que ela é feita. A maioria dos cientistas acredita que é composta de partículas que ainda não foram descobertas e que quase nunca interagem com a matéria regular, a não ser pela gravidade, tornando muito difícil detectá-las.

Uma maneira que os instrumentos científicos podem captar um vislumbre de partículas de matéria escura é quando as partículas ou decaem ou colidem e destroem umas às outras. “As teorias amplamente estudadas preveem que esses processos produziriam raios-gama”, disse Seth Digel, chefe do grupo Fermi da KIPAC. “Nós procuramos esta radiação com o LAT em regiões do universo que são ricas em matéria escura, como o centro de nossa galáxia.”

Estudos anteriores mostraram que há mais raios gama provenientes do centro galáctico do que o esperado, alimentando alguns artigos científicos e reportagens que sugerem que o sinal pode sugerir partículas de matéria escura há muito procuradas. No entanto, os raios-gama são produzidos em uma série de outros processos cósmicos, que devem ser descartados antes de qualquer conclusão sobre a matéria escura pode ser concebida. Isto é particularmente desafiador porque o centro galáctico é extremamente complexo, e os astrofísicos não sabem todos os detalhes do que está acontecendo nessa região.

Quando os astrofísicos modelam as fontes de raios-gama da Via Láctea ao melhor de seu conhecimento, ficam com um excesso de brilho no centro galáctico. Alguns pesquisadores argumentaram que o sinal pode sugerir partículas hipotéticas de matéria escura. No entanto, poderia também ter outras origens cósmicas. (NASA, A. Mellinger/Universidade Central de Michigan, T. Linden/Universidade de Chicago)

A maioria dos raios-gama da Via Láctea se originam no gás entre as estrelas que é iluminado por raios cósmicos – partículas carregadas produzidas em poderosas explosões de estrelas, chamadas supernovas. Isso cria um brilho difuso de raios-gama que se estende por toda a galáxia. Os raios-gama também são produzidos por remanescentes de supernova, pulsares – estrelas colapsadas que emitem “feixes” de raios-gama como faróis cósmicos – e objetos mais exóticos que aparecem como pontos de luz.

“Dois estudos recentes realizados por equipes nos Estados Unidos e na Holanda mostraram que o excesso de raios-gama no centro galáctico é salpicado, não liso como seria de esperar para um sinal de matéria escura”, disse Eric Charles, da KIPAC, que contribuiu para a nova análise. “Esses resultados sugerem que os salpicos podem ser devidos a fontes pontuais que não podemos ver como fontes individuais com o LAT porque a densidade das fontes de raios-gama é muito alta e o brilho difuso é mais brilhante no centro galáctico”.

Um excesso de raios gama vindos do centro da Via Láctea tem alimentado esperanças de que o sinal possa derivar de hipotéticas partículas de matéria escura que colidem e se destroem (esquerda). A radiação também poderia ser produzida por pulsares – estrelas de nêutrons com forte rotação de campos magnéticos (direita). (Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Restos de estrelas antigas

O novo estudo leva as análises anteriores para o próximo nível, demonstrando que o sinal de raio-gama salpicado é consistente com os pulsares.

“Considerando que cerca de 70% de todas as fontes pontuais na Via Láctea são pulsares, eles são os candidatos mais prováveis”, disse Di Mauro. “Mas usamos uma de suas propriedades físicas para chegar a nossa conclusão. Os pulsares têm espectros muito distintos – isto é, suas emissões variam de uma maneira específica com a energia dos raios-gama que emitem. Usando a forma desses espectros, conseguimos modelar corretamente o brilho do centro galáctico com uma população de cerca de 1.000 pulsares e sem introduzir processos que envolvam partículas de matéria escura.”

A equipe está agora planejando estudos usando radiotelescópios para determinar se as fontes identificadas estão emitindo sua luz como uma série de pequenos pulsos de luz – a marca registrada que dá aos pulsares seu nome.

Descobertas no halo de estrelas ao redor do centro da galáxia – a parte mais antiga da Via Láctea – também revelam detalhes sobre a evolução de nossa casa galáctica, assim como os vestígios antigos ensinam os arqueólogos sobre a história humana.

“Os pulsares isolados têm uma vida típica de 10 milhões de anos, que é muito menor do que a idade das estrelas mais antigas perto do centro galáctico”, disse Charles. “O fato de que ainda podemos ver os raios-gama da população pulsar identificada hoje sugere que os pulsares estão em sistemas binários com estrelas companheiras, das quais eles usam energia. Isso prolonga a vida dos pulsares tremendamente. ”

Distribuição simulada de fontes de raios gama na região interior de 40 graus por 40 graus da Via Láctea com o centro galáctico no meio. O mapa mostra pulsares no disco galáctico (estrelas vermelhas) e na região central da galáxia (círculos pretos). (Colaboração da NASA / DOE / Fermi LAT)

Matéria escura permanece um mistério

Os novos resultados somam-se a outros dados que desafiam a interpretação do excesso de raios-gama como um sinal de matéria escura.

“Se o sinal fosse devido à matéria escura, esperávamos vê-la também nos centros de outras galáxias”, disse Digel. “O sinal deve ser particularmente claro em galáxias anãs orbitando a Via Láctea. Essas galáxias têm muito poucas estrelas, normalmente não têm pulsares e são mantidas juntas porque têm muita matéria escura. No entanto, não vemos nenhuma emissão de raios-gama significativa delas.”

Os pesquisadores acreditam que um brilho de raios-gama recentemente descoberto no centro da galáxia de Andrômeda, a maior galáxia mais próxima à Via Láctea, também pode ser causado por pulsares ao invés de matéria escura.

Mas isso não é o fim da história. Embora a equipe de Fermi-LAT tenha estudado uma área grande de 40 graus por 40 graus em torno do centro galáctico da Via Láctea (o diâmetro da Lua cheia é de cerca de meio grau), a densidade extremamente alta de fontes nos quatro graus mais internos torna muito difícil a visualização dos objetos e pode não descartar a matéria escura como fonte dos raios-gama, deixando espaço para que sinais de matéria escura se escondam.

Este trabalho foi financiado pela NASA e pelo Escritório de Ciência do DOE, bem como agências e institutos na França, Itália, Japão e Suécia.

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