p Uma interpretação inovadora dos dados de raios-X de um aglomerado de galáxias pode ajudar os cientistas a cumprir uma missão que eles estão fazendo há décadas:determinar a natureza da matéria escura. p A descoberta envolve uma nova explicação para um conjunto de resultados feitos com o Observatório de Raios-X Chandra da NASA, XMM-Newton e Hitomi da ESA, um telescópio de raios-X com orientação japonesa. Se confirmado com observações futuras, isso pode representar um grande passo na compreensão da natureza do misterioso, substância invisível que constitui cerca de 85% da matéria do universo.

p "Esperamos que este resultado seja extremamente importante ou um fracasso total, "disse Joseph Conlon, da Universidade de Oxford, que liderou o novo estudo." Não acho que haja um meio-termo quando você está procurando respostas para uma das maiores questões da ciência. "

p A história deste trabalho começou em 2014, quando uma equipe de astrônomos liderada por Esra Bulbul (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics em Cambridge, Mass.) Encontraram um pico de intensidade em uma energia muito específica em observações Chandra e XMM-Newton do gás quente no aglomerado de galáxias Perseus.

p Este pico, ou linha de emissão, está a uma energia de 3,5 kiloeletron volts (keV). A intensidade da linha de emissão de 3,5 keV é muito difícil, senão impossível de explicar em termos de características previamente observadas ou previstas de objetos astronômicos, e, portanto, uma origem de matéria escura foi sugerida. Bulbul e colegas também relataram a existência da linha de 3,5 keV em um estudo de 73 outros aglomerados de galáxias usando XMM-Newton.

p O enredo deste conto de matéria escura engrossou quando, apenas uma semana depois que a equipe de Bulbul enviou seu artigo a um grupo diferente, liderado por Alexey Boyarsky da Universidade de Leiden, na Holanda, relataram evidências de uma linha de emissão em 3,5 keV em observações XMM-Newton da galáxia M31 e nos arredores do aglomerado de Perseus, confirmando o Bulbul et al. resultado.

p Contudo, esses dois resultados foram controversos, com outros astrônomos detectando posteriormente a linha de 3,5 keV ao observar outros objetos, e alguns não conseguem detectá-lo.

p O debate parecia ter sido resolvido em 2016, quando Hitomi especialmente projetado para observar características detalhadas, como emissão de linha nos espectros de raios-X de fontes cósmicas, falhou em detectar a linha de 3,5 keV no cluster Perseus.

p "Alguém pode pensar que, quando Hitomi não viu a linha de 3,5 keV, teríamos apenas jogado a toalha por esta linha de investigação, "disse a co-autora Francesca Day, também de Oxford. "Pelo contrário, aqui é onde, como em qualquer boa história, ocorreu uma reviravolta interessante na história. "

p Conlon e colegas observaram que o telescópio Hitomi tinha imagens muito mais difusas do que o Chandra, então seus dados no aglomerado Perseus são na verdade compostos de uma mistura de sinais de raios-X de duas fontes:um componente difuso de gás quente envolvendo a grande galáxia no centro do aglomerado e emissão de raios-X perto do buraco negro supermassivo nesta galáxia. A visão mais nítida do Chandra pode separar a contribuição das duas regiões. Aproveitando isso, Bulbul et al. isolou o sinal de raios-X do gás quente removendo fontes pontuais de sua análise, incluindo raios-X de material próximo ao buraco negro supermassivo.

p Para testar se essa diferença importava, a equipe de Oxford reanalisou os dados do Chandra de perto do buraco negro no centro do aglomerado Perseus tirados em 2009. Eles encontraram algo surpreendente:evidências de um déficit em vez de um excedente de raios-X a 3,5 keV. Isso sugere que algo em Perseus está absorvendo raios X com essa energia exata. Quando os pesquisadores simularam o espectro de Hitomi adicionando esta linha de absorção à linha de emissão de gás quente vista com Chandra e XMM-Newton, eles não encontraram nenhuma evidência no espectro somado para absorção ou emissão de raios-X a 3,5 keV, consistente com as observações de Hitomi.

p O desafio é explicar esse comportamento:detectar a absorção de luz de raios X ao observar o buraco negro e a emissão de luz de raios X na mesma energia ao olhar para o gás quente em ângulos maiores longe do buraco negro.

p Na verdade, tal comportamento é bem conhecido dos astrônomos que estudam estrelas e nuvens de gás com telescópios ópticos. A luz de uma estrela rodeada por uma nuvem de gás geralmente mostra linhas de absorção produzidas quando a luz estelar de uma energia específica é absorvida por átomos na nuvem de gás. A absorção chuta os átomos de um estado de baixa energia para um estado de alta energia. O átomo cai rapidamente de volta ao estado de baixa energia com a emissão de luz de uma energia específica, mas a luz é reemitida em todas as direções, produzindo uma perda líquida de luz na energia específica - uma linha de absorção - no espectro observado da estrela. Em contraste, uma observação de uma nuvem em uma direção longe da estrela detectaria apenas o reemitido, ou luz fluorescente em uma energia específica, que apareceria como uma linha de emissão.

p A equipe de Oxford sugere em seu relatório que as partículas de matéria escura podem ser como átomos por terem dois estados de energia separados por 3,5 keV. Se então, poderia ser possível observar uma linha de absorção em 3,5 keV ao observar ângulos próximos à direção do buraco negro, e uma linha de emissão ao olhar para o gás quente do cluster em grandes ângulos longe do buraco negro.

p "Este não é um quadro simples de pintar, mas é possível que tenhamos encontrado uma maneira de explicar os sinais incomuns de raios-X vindos de Perseu e descobrir uma dica sobre o que realmente é a matéria escura, "disse o co-autor Nicholas Jennings, também de Oxford.

p Para escrever o próximo capítulo desta história, os astrônomos precisarão de mais observações do aglomerado de Perseus e de outros semelhantes. Por exemplo, mais dados são necessários para confirmar a realidade do mergulho e excluir uma possibilidade mais mundana, a saber, que temos uma combinação de um efeito instrumental inesperado e uma queda estatisticamente improvável nos raios X a uma energia de 3,5 keV. Chandra, O XMM-Newton e as futuras missões de raios-X continuarão a observar aglomerados para resolver o mistério da matéria escura.

p Um artigo descrevendo esses resultados foi publicado em Revisão Física D em 19 de dezembro, 2017 e uma pré-impressão está disponível online.