Raios gama de uma galáxia anã resolvem um quebra-cabeça astronômico

Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Uma bolha brilhante conhecida como "o casulo", que parece estar dentro de uma das enormes emanações de raios gama do centro de nossa galáxia apelidada de "bolhas de Fermi", tem intrigado os astrônomos desde que foi descoberta em 2012.

Em uma nova pesquisa publicada na Nature Astronomy, mostramos que o casulo é causado por raios gama emitidos por estrelas extremas de giro rápido chamadas "pulsares milissegundos" localizados na galáxia anã de Sagitário, que orbita a Via Láctea. Enquanto nossos resultados esclarecem o mistério do casulo, eles também lançam um balde sobre as tentativas de procurar matéria escura em qualquer brilho de raios gama que possa emitir.

Vendo com raios gama

Felizmente para a vida na Terra, nossa atmosfera bloqueia raios gama. Estas são partículas de luz com energias mais de um milhão de vezes maiores do que os fótons que detectamos com nossos olhos.

Como nossa visão do solo é obscurecida, os cientistas não tinham ideia da riqueza do céu gama até que os instrumentos fossem colocados no espaço. Mas, começando com as descobertas serendipitous feitas pelos satélites Vela (colocados em órbita na década de 1960 para monitorar a Proibição de Testes Nucleares), mais e mais dessa riqueza tem sido revelada.

O instrumento de raios gama de última geração que opera hoje é o Telescópio Espacial Fermi Gamma Ray, uma grande missão da NASA em órbita há mais de uma década. A habilidade de Fermi de resolver detalhes finos e detectar fontes fracas descobriu uma série de surpresas sobre nossa Via Láctea e o cosmos mais amplo.

Bolhas misteriosas

Uma dessas surpresas surgiu em 2010, logo após o lançamento de Fermi: algo no centro da Via Láctea está soprando o que parece um par de bolhas gigantes, emissoras de raios gama. Essas "bolhas de Fermi" completamente inesperadas cobrem 10% do céu.

O principal suspeito da origem das bolhas é o buraco negro supermassivo residente da galáxia. Este behemoth, 4 milhões de vezes mais massivo que o Sol, espreita no núcleo galáctico, a região de onde as bolhas emanam.

A maioria das galáxias hospeda tais buracos negros gigantes em seus centros. Em alguns, esses buracos negros estão ativamente engolindo matéria. Assim alimentados, eles simultaneamente vomitam gigantes, escoando "jatos" visíveis através do espectro eletromagnético.

Assim, uma pergunta que os pesquisadores fizeram após a descoberta das bolhas: podemos encontrar uma arma fumegante amarrando-as ao buraco negro supermassivo de nossa galáxia? Logo, surgiram evidências provisórias: havia uma dica, dentro de cada bolha, de um fino jato de raios gama apontando de volta para o centro galáctico.

Com o tempo e mais dados, este quadro ficou enlameado, no entanto. Enquanto a característica do jato em uma das bolhas foi confirmada, o jato aparente no outro parecia evaporar sob escrutínio.

As bolhas pareciam estranhamente desordenadas: uma continha um ponto brilhante alongado — o "casulo" — sem contrapartida na outra bolha. 

O casulo e de onde ele vem

Nosso recente trabalho na Astronomia da Natureza é um profundo exame da natureza do "casulo". Notavelmente, descobrimos que esta estrutura não tem nada a ver com as bolhas de Fermi ou, de fato, o buraco negro supermassivo da galáxia.

Em vez disso, descobrimos que o casulo é realmente algo totalmente mais completo: raios gama da galáxia anã de Sagitário, que por acaso está por trás da bolha do sul, como visto a partir da posição da Terra.

A anã de Sagitário, assim chamada porque sua posição no céu está na constelação de Sagitário, é uma galáxia "satélite" orbitando a Via Láctea. É o remanescente de uma galáxia muito maior que o forte campo gravitacional da Via Láctea literalmente se despeda. De fato, estrelas retiradas da anã de Sagitário podem ser encontradas em "caudas" que envolvem todo o céu.

O que está fazendo os raios gama?

Na Via Láctea, a principal fonte de raios gama é quando partículas de alta energia, chamadas raios cósmicos, colidem com o gás muito tênue entre as estrelas. No entanto, este processo não pode explicar os raios gama emitidos da anã de Sagitário. Há muito tempo perdeu seu gás para o mesmo assédio gravitacional que afastou tantas de suas estrelas.

Então, de onde vêm os raios gama?

Consideramos várias possibilidades, incluindo a perspectiva excitante de que eles são uma assinatura de matéria escura, a substância invisível conhecida apenas por seus efeitos gravitacionais que os astrônomos acreditam que compõe grande parte do universo. Infelizmente, a forma do casulo combina de perto com a distribuição de estrelas visíveis, o que exclui a matéria escura como a origem.

De uma forma ou de outra, as estrelas foram responsáveis pelos raios gama. E ainda assim: as estrelas da anã saggitarius são velhas e quiescentes. Que tipo de fonte entre essa população produz raios gama?

Pulsares milissegundos

Estamos satisfeitos que só há uma possibilidade: rapidamente girando objetos chamados "pulsares milissegundos". Estes são os remanescentes de estrelas particulares, significativamente mais massivos que o Sol, que também estão orbitando de perto outra estrela.

Sob as circunstâncias certas, tais sistemas binários produzem uma estrela de nêutrons - um objeto tão pesado quanto o sol, mas com apenas cerca de 20 km de diâmetro — que gira centenas de vezes por segundo.

Por causa de sua rápida rotação e forte campo magnético, essas estrelas de nêutrons atuam como aceleradores de partículas naturais: eles lançam partículas com energia extremamente alta no espaço.

Essas partículas então emitem raios gama. Pulsares milissegundos na anã de Sagitário foram a fonte final do misterioso casulo, encontramos.

A caça da matéria escura 

Nossas descobertas lançaram uma nova luz — trocadilho - em pulsares de milissegundos como fontes de raios gama em outros sistemas estelares antigos.

Ao mesmo tempo, eles também lançaram um balde sobre os esforços para encontrar evidências de matéria escura através de observações de outras galáxias satélites da Via Láctea; infelizmente, há um "fundo" mais forte de raios gama de pulsares de milissegundos nesses sistemas do que se imaginava anteriormente.

Assim, qualquer sinal que eles produzem pode não ser inequivocamente interpretado devido à matéria escura. A busca por sinais de matéria escura continua.

Fonte: phys.org