Missão do FERMI expande a procura por matéria escura

Topo: os raios-gama (linhas magenta) oriundos de uma fonte brilhante como NGC 1275 no Enxame Galáctico de Perseu deverão formar um tipo particular de espectro (direita). Em baixo: os raios-gama convertidos em hipóteticas partículas tipo-axião (pontos verdes) e vice-versa quando encontram campos magnéticos (curvas cinzentas). O resultante espectro de raios-gama (curva à direita) deveria mostrar falhas e "escadas" não vistas nos dados do Fermi, o que significa que uma gama destas partículas não poderá constituir parte da matéria escura. Crédito: Laboratório do Acelerador Nacional SLAC/Chris Smith

A matéria escura, a misteriosa substância que constitui a maior parte do material do Universo, permanece tão evasiva como sempre. Embora experiências terrestres e espaciais tenham ainda de encontrar traços da matéria escura, os resultados estão a ajudar os cientistas a descartar algumas das muitas possibilidades teóricas. Três estudos publicados no início deste ano, usando seis ou mais anos de dados do Telescópio Espacial de Raios-gama Fermi da NASA, ampliaram a missão de caçar matéria escura usando algumas abordagens novas. Nós olhámos para os suspeitos do costume, nos locais habituais, e não encontrámos sinais sólidos, de modo que começámos a procurar algumas novas maneiras criativas," afirma Julie McEnery, cientista do projeto Fermi no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado americano do Arizona.

"Com estes resultados, o Fermi excluiu mais candidatos, mostrou que a matéria escura pode contribuir para apenas uma pequena parte do fundo de raios-gama para lá da nossa Galáxia, a Via Láctea, e produziu limites fortes para as partículas de matéria escura na segunda maior galáxia que a orbita. A matéria escura não emite nem absorve luz, interage principalmente com o resto do Universo através da gravidade e, ainda assim, corresponde a cerca de 80% da matéria no Universo. Os astrónomos vêm os seus efeitos em todo o cosmos - e na rotação das galáxias, na distorção da luz que passa através de enxames galácticos e em simulações do Universo jovem, que até exige a presença da matéria escura para a formação de galáxias.

Os principais candidatos para a matéria escura são classes diferentes de partículas hipotéticas. Os cientistas pensam que os raios-gama, a forma mais energética de luz, pode ajudar a revelar a presença de alguns tipos de partículas propostas da matéria escura. Anteriormente, o Fermi procurou sinais de raios-gama associados com a matéria escura no centro da nossa Galáxia e em pequenas galáxias anãs que a orbitam. Embora sem a descoberta de sinais convincentes, estes resultados eliminaram candidatos dentro de uma gama de massas e taxas de interação, limitando ainda mais as possíveis características das partículas de matéria escura.

A Pequena Nuvem de Magalhães, no centro, é a segunda maior galáxia satélite da Via Láctea. Esta imagem sobrepõe uma fotografia da galáxia com uma metade de um modelo da sua matéria escura (direita do centro). As cores mais claras indicam uma maior densidade e mostra uma forte concentração no centro da galáxia. 95% da matéria escura está contida dentro de um círculo que traça o limite exterior do modelo aqui visto. Em seis anos de dados, o Fermi não descobriu nenhuma indicação de raios-gama oriundos da matéria escura da Pequena Nuvem de Magalhães. Crédito: matéria escura - R. Caputo et al., 2016; fundo - Axel Mellinger, Universidade do Michigan Central

Entre os novos estudos, o cenário mais exótico investigado foi a possibilidade de a matéria escura consistir de partículas hipotéticas chamadas axiões ou outras partículas com propriedades semelhantes. Um aspeto interessante das partículas tipo-axião é a capacidade de conversão em raios-gama e vice-versa quando interagem com campos magnéticos fortes. Estas conversões deixariam para trás traços característicos, como falhas e "escadas" no espetro de uma fonte de raios-gama brilhante. Manuel Meyer da Universidade de Estocolmo liderou um estudo para procurar estes efeitos nos raios-gama de NGC 1275, a galáxia central do Enxame Galáctico de Perseu, localizado a aproximadamente 240 milhões de anos-luz de distância. Pensa-se que as emissões altamente energéticas de NGC 1275 estejam associadas com um buraco negro supermassivo no seu centro. Tal como em todos os aglomerados de galáxias, o Enxame de Perseu tem gás quente envolvido com campos magnéticos, que permitem a transição entre raios-gama e partículas tipo-axião. Isto significa que alguns dos raios-gama provenientes de NGC 1275 podem converter-se em axiões - e potencialmente de volta - enquanto viajam até nós.

A equipa de Meyer recolheu observações com o instrumento LAT (Large Area Telescope) do Fermi e procurou distorções previstas no sinal de raios-gama. Os achados, publicados no dia 20 de abril na revista Physical Review Letters, exclui uma pequena gama de partículas tipo-axião que poderiam ter constituído cerca de 4% da matéria escura. Apesar de não sabermos ainda o que é a matéria escura, os nossos resultados mostram que podemos examinar modelos tipo-axião e fornecer as restrições mais fortes, até à data, para certas massas," comenta Meyer. "Notavelmente, atingimos uma sensibilidade que pensávamos só ser possível numa experiência laboratorial dedicada, o que é uma prova da incrível capacidade do Fermi.

Outra classe ampla de candidatos da matéria escura são os chamados WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Em algumas versões, os WIMPs que colidem ou se aniquilam mutuamente ou produzem uma partícula intermédia e de rápida decomposição. Ambos os cenários resultam em raios-gama que podem ser detetados pelo LAT. Regina Caputo da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, procurou estes sinais na Pequena Nuvem de Magalhães, localizada a cerca de 200.000 anos-luz de distância, a segunda maior galáxia que orbita a Via Láctea. Parte do encanto da Pequena Nuvem de Magalhães no que toca a uma investigação de matéria escura é que está relativamente perto de nós e a sua emissão de raios-gama, que vem de fontes convencionais como formação estelar e pulsares, é bem compreendida.

Esta animação alterna entre duas imagens do céu em raios-gama, visto pelo instrumento LAT (Large Area Telescope) do Fermi, uma usando os primeiros três meses de dados do LAT, a outra que mostra uma exposição acumulada de sete anos. A cor azul, que representa a menor quantidade de raios-gama, inclui o Fundo Extragaláctico de Raios-gama (FER). Os blazares constituem a maior parte das fontes brilhantes aqui vistas (de vermelho a branco). Com uma exposição maior, o Fermi revela mais. Um novo estudo mostra que os blazares são praticamente os únicos responsáveis pelo brilho de fundo. Crédito: NASA/DOE/Colaboração LAT do Fermi

Mais importante ainda, os astrónomos têm medições de alta precisão da curva de rotação da Pequena Nuvem de Magalhães, que mostra como a sua velocidade de rotação muda com a distância ao centro e indica a quantidade de matéria escura presente. Num artigo publicado no dia 22 de março na revista Physical Review D, Caputo e colegas modelaram o teor de matéria escura da Pequena Nuvem de Magalhães, mostrando que possuía o suficiente para produzir sinais detetáveis de dois tipos de WIMPs. "O LAT definitivamente vê raios-gama da Pequena Nuvem de Magalhães, mas podemos explicá-los todos através de fontes convencionais," realça Caputo. "Nenhum sinal da aniquilação de matéria escura foi considerado estatisticamente significativo."

No terceiro estudo, investigadores liderados por Marco Ajello da Universidade de Clemson na Carolina do Sul, EUA, e por Mattia Di Mauro do Laboratório do Acelerador Nacional do SLAC na Califórnia, levaram a investigação numa direção diferente. Em vez de olhar para alvos astronómicos específicos, a equipa usou mais de 6,5 anos de dados do LAT para analisar o fundo de raios-gama visto em todo o céu. A natureza desta radiação, chamada Fundo Extragaláctico de Raios-gama (FER), tem sido debatida desde que foi medida pela primeira vez pelo SAS-2 (Small Astronomy Satellite 2) da NASA na década de 1970. O Fermi mostrou que grande parte desta radiação tem origem em fontes não resolvidas de raios-gama, particularmente galáxias chamadas blazares, galáxias alimentadas por material que cai em direção a buracos negros gigantescos.

Os blazares constituem mais de metade do total das fontes de raios-gama observadas pelo Fermi e compõem uma percentagem ainda maior num novo catálogo LAT dos raios-gama mais energéticos. Alguns modelos preveem que os raios-gama do FER possam surgir de distantes interações com partículas de matéria escura, como a aniquilação ou decaimento dos WIMPs. Numa análise detalhada dos raios-gama altamente energéticos do FER, publicada no dia 14 de abril na revista Physical Review Letters, Ajello e sua equipa mostram que os blazares e outras fontes discretas podem ser responsáveis pela quase totalidade desta emissão.

"Há muito pouco espaço para sinais de fontes exóticas no Fundo Extragaláctico de Raios-gama, o que por sua vez significa que qualquer contribuição destas fontes deverá ser também muito pequena," comenta Ajello. "Esta informação pode ajudar a colocar limites na frequência da colisão ou decaimento das partículas WIMPs. Apesar destes estudos mais recentes terem ficado de mãos vazias, a busca para encontrar matéria escura continua tanto no espaço como em experiências terrestres. Ao Fermi junta-se o instrumento AMS da NASA, um detetor de partículas a bordo da Estação Espacial Internacional.

Fonte: NASA