E se a matéria escura existisse em dois estados?

A ausência de um sinal pode, em si, ser um sinal. Essa é a ideia por trás de um novo estudo publicado no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , que visa redefinir a forma como buscamos matéria escura, mostrando que pode não ser necessário encontrar as mesmas "pistas" em todos os lugares para interpretá-la. 

A constelação da Ursa Maior (a Grande Ursa) abriga Messier 101, a Galáxia do Cata-vento. Esta imagem é uma combinação de exposições feitas com filtros verde e infravermelho usando a Câmera Avançada para Pesquisas do Hubble. O campo de visão é de aproximadamente 3,3 por 3,3 minutos de arco. Crédito: ESA/Hubble e NASA

Em particular, o estudo sugere que, mesmo que observemos um certo tipo de sinal no centro da nossa galáxia — um excesso de radiação gama que poderia resultar da aniquilação de partículas de matéria escura — a ausência do mesmo sinal em outros sistemas, como galáxias anãs, não é suficiente para descartar essa explicação. 

Na verdade, a matéria escura pode não ser constituída por uma única partícula, mas por múltiplos componentes ligeiramente diferentes, cujo comportamento varia dependendo do ambiente cósmico.

O excesso de raios gama no centro galáctico

Matéria escura: sabemos que existe e é abundante, mas nunca a observamos diretamente e, portanto, ainda não sabemos o que é. Há décadas, tem sido um dos principais focos de cosmólogos e astrofísicos que tentam compreender sua natureza. Sua presença é inferida principalmente pelos efeitos gravitacionais que exerce sobre a matéria visível, mas até agora, nenhuma das hipóteses propostas recebeu confirmação definitiva por meio de dados. A busca, portanto, continua.

Muitos dos principais modelos de matéria escura a descrevem como sendo composta de partículas. Em alguns desses cenários, quando duas partículas se encontram, elas podem se aniquilar, produzindo radiação de alta energia, como raios gama, que os astrônomos tentam detectar.

"Neste momento, parece haver um excesso de fótons provenientes de uma região aproximadamente esférica ao redor do disco da Via Láctea", explica Gordan Krnjaic, físico teórico do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) nos Estados Unidos e um dos autores do estudo.

O excesso de fótons de raios gama observado pelo Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama pode ser devido à aniquilação da matéria escura. No entanto, também existem explicações alternativas, nas quais a emissão de raios gama seria produzida por fontes astrofísicas, como uma população de pulsares.

Para resolver essa questão, é necessário procurar em outro lugar. "Se certas teorias da matéria escura forem verdadeiras, deveríamos vê-la em todas as galáxias, por exemplo, em todas as galáxias anãs", explica Krnjaic.

Galáxias anãs

As galáxias anãs são sistemas muito pequenos e tênues, mas extremamente ricos em matéria escura. Elas possuem muito pouco ruído astrofísico — menos estrelas e menos radiação comum — e, portanto, representam ambientes ideais para a busca de sinais "limpos".

As teorias padrão que descrevem a matéria escura como composta de partículas geralmente preveem duas possibilidades para a aniquilação dessas partículas. No caso mais simples, a probabilidade de aniquilação é constante e não depende da velocidade das partículas: nesse cenário, se observarmos um sinal no centro da nossa galáxia, também deveríamos esperar vê-lo em outros sistemas ricos em matéria escura, como galáxias anãs.

No segundo caso, a probabilidade de aniquilação depende da velocidade das partículas. Como as partículas de matéria escura nas galáxias se movem a velocidades muito baixas, esse tipo de interação torna a aniquilação extremamente rara e, portanto, o sinal é efetivamente invisível em todos os lugares.

Nesse contexto, a ausência de um sinal em galáxias anãs dificultaria a interpretação do excesso de radiação gama observado no centro da nossa galáxia como sendo devido à matéria escura.

Krnjaic e seus colaboradores, no entanto, descrevem um cenário alternativo, mais complexo, que poderia explicar a ausência de sinal em galáxias anãs, mantendo ainda a interpretação do sinal observado na Via Láctea como um possível efeito da matéria escura.

Duas partículas diferentes

"O que estamos tentando demonstrar neste artigo é que pode haver um tipo diferente de dependência ambiental, mesmo que a probabilidade de aniquilação seja constante no centro da galáxia", explica Krnjaic. "A matéria escura poderia ser simplesmente composta por duas partículas diferentes, e essas duas partículas precisam se encontrar para se aniquilarem."

A probabilidade de os dois componentes da matéria escura se encontrarem e se aniquilarem também dependeria da proporção entre essas duas partículas em cada sistema astrofísico. Essa proporção poderia ser diferente em galáxias como a nossa — onde os dois tipos de partículas podem estar presentes em proporções semelhantes — e em galáxias anãs, onde, ao contrário, poderia ser fortemente desequilibrada.

"Dessa forma, você obtém previsões muito diferentes para as emissões", explica Krnjaic.

O modelo proposto por Krnjaic e seus colegas representa, portanto, uma alternativa mais flexível ao cenário padrão mais simples, pois permite a possibilidade de explicar a ausência de um sinal de raios gama em galáxias anãs sem descartar uma origem de matéria escura para o sinal observado na Via Láctea.

No futuro, o Telescópio de Raios Gama Fermi poderá fornecer dados mais precisos sobre galáxias anãs — atualmente ainda limitados — ajudando a esclarecer se esses sistemas emitem radiação gama ou não. Em princípio, a observação de um sinal seria compatível com uma distribuição semelhante dos dois componentes também em galáxias anãs, enquanto sua ausência poderia sugerir que um dos dois é menos abundante.

No entanto, essa interpretação não é única e depende de fatores astrofísicos adicionais, o que torna necessário comparar o modelo com uma gama mais ampla de observações.

Phys.org