Os astrofísicos deram um passo mais perto de compreender a origem de um brilho fraco de raios gama que cobre o céu noturno. Eles descobriram que essa luz é mais brilhante em regiões que contêm muita matéria e mais turva onde a matéria é mais esparsa - uma correlação que poderia ajudá-los a restringir as propriedades de objetos astrofísicos exóticos e matéria escura invisível.

O brilho, conhecido como fundo de raios gama não resolvido, origina-se de fontes tão fracas e distantes que os pesquisadores não conseguem identificá-las individualmente. Ainda, o fato de que os locais onde esses raios gama se originam correspondem aos locais onde a massa é encontrada no universo distante pode ser uma peça chave do quebra-cabeça para identificar essas fontes.

"O fundo é a soma de muitas coisas 'lá fora' que produzem raios gama. Ter sido capaz de medir pela primeira vez sua correlação com lentes gravitacionais - pequenas distorções de imagens de galáxias distantes produzidas pela distribuição de matéria - ajuda nós os desembaraçamos, "disse Simone Ammazzalorso, da Universidade de Torino e do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) da Itália, quem co-liderou a análise.

O estudo usou um ano de dados do Dark Energy Survey (DES), que tira imagens ópticas do céu, e nove anos de dados do Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray, que observa os raios gama cósmicos enquanto orbita a Terra.

"O que é realmente intrigante é que a correlação que medimos não corresponde totalmente às nossas expectativas, "disse o colega Panofsky Daniel Gruen do Instituto Kavli para Astrofísica e Cosmologia de Partículas (KIPAC) do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, que liderou a análise para a colaboração DES. "Isso pode significar que precisamos ajustar nossos modelos existentes para objetos que emitem raios gama, ou pode sugerir outras fontes, como a matéria escura. "

O estudo foi aceito hoje para publicação em Cartas de revisão física .

Dois 'olhos' sensíveis no céu

Radiação gama, a forma mais energética de luz, é produzida em uma ampla gama de fenômenos cósmicos - muitas vezes extremamente violentos, como estrelas explodindo, densas estrelas de nêutrons girando em alta velocidade e poderosos feixes de partículas disparando de galáxias ativas cujos buracos negros supermassivos centrais devoram matéria.

Outra fonte potencial é a matéria escura invisível, que se acredita representar 85 por cento de toda a matéria do universo. Ele pode produzir raios gama quando as partículas de matéria escura se encontram e se destroem no espaço.

O Large Area Telescope (LAT) a bordo da espaçonave Fermi é um "olho" altamente sensível à radiação gama, e seus dados fornecem um mapa detalhado das fontes de raios gama no céu.

Mas quando os cientistas subtraem todas as fontes que já conhecem, seu mapa está longe de estar vazio; ele ainda contém um fundo de raios gama cujo brilho varia de região para região.

"Infelizmente os raios gama não têm um rótulo que nos diga de onde eles vêm, "Gruen disse." É por isso que precisamos de informações adicionais para desvendar sua origem. "

É aí que entra o DES. Com sua câmera Dark Energy de 570 megapixels, montado no telescópio Victor M. Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, ele captura imagens de centenas de milhões de galáxias. Suas formas exatas dizem aos pesquisadores como a atração gravitacional da matéria desvia a luz no universo - um efeito que se mostra como pequenas distorções em imagens de galáxias, conhecido como lente gravitacional fraca. Com base nesses dados, os pesquisadores do DES criam os mapas mais detalhados da matéria no cosmos.

No novo estudo, os cientistas sobrepuseram os mapas de Fermi e DES, o que revelou que os dois não são independentes. O background de raios gama não resolvido é mais intenso nas regiões com mais matéria e menos intenso nas regiões com menos matéria.

"O resultado em si não é surpreendente. Esperamos que haja mais processos de produção de raios gama em regiões que contêm mais matéria, e estamos prevendo essa correlação há um tempo, "disse Nicolao Fornengo, um dos supervisores de Ammazzalorso em Torino. "Mas agora conseguimos realmente detectar essa correlação pela primeira vez, e podemos usá-lo para entender o que causa o fundo de raios gama. "

Sugestão potencial de matéria escura

Uma das fontes mais prováveis ​​para o brilho de raios gama são os blazares muito distantes - galáxias ativas com buracos negros supermassivos em seus centros. À medida que os buracos negros engolem a matéria circundante, eles lançam jatos de plasma e raios gama em alta velocidade que, se os jatos apontam para nós, são detectados pela espaçonave Fermi.

Blazars seria a suposição mais simples, mas os novos dados sugerem que uma simples população de blazares pode não ser suficiente para explicar a correlação observada entre os raios gama e a distribuição de massa, disseram os pesquisadores.

"Na verdade, nossos modelos para emissões de blazares podem explicar muito bem a parte de baixa energia da correlação, mas vemos desvios para raios gama de alta energia, "Gruen disse." Isso pode significar várias coisas:pode indicar que precisamos melhorar nossos modelos de blazars ou que os raios gama podem vir de outras fontes. "

Uma dessas outras fontes pode ser matéria escura. Uma teoria importante prevê que o material misterioso é feito de partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs, que podem aniquilar uns aos outros em um flash de raios gama quando eles colidem. Os raios gama de certas regiões cósmicas ricas em matéria podem, portanto, originar-se dessas interações de partículas.

A ideia de procurar assinaturas de raios gama para aniquilar WIMPs não é nova. Nos últimos anos, os cientistas procuraram por eles em vários locais que se acredita conterem uma grande quantidade de matéria escura, incluindo o centro da Via Láctea e as galáxias companheiras da Via Láctea. Contudo, essas pesquisas ainda não produziram sinais identificáveis ​​de matéria escura. Os novos resultados podem ser usados ​​para pesquisas adicionais que testam a hipótese WIMP.

Planejando as próximas etapas

Embora a probabilidade de que a correlação medida seja apenas um efeito aleatório seja de apenas uma em mil, os pesquisadores precisam de mais dados para uma análise conclusiva.

"Esses resultados, conectando pela primeira vez nossos mapas de raios gama e matéria, são muito interessantes e têm muito potencial, mas no momento a conexão ainda está relativamente fraca, e é preciso interpretar os dados com cuidado, "disse a diretora da KIPAC, Risa Wechsler, que não estava envolvido no estudo.

Uma das principais limitações da análise atual é a quantidade de dados de lentes disponíveis, Gruen disse. "Com dados de 40 milhões de galáxias, DES já levou isso a um novo nível, e é por isso que conseguimos fazer a análise em primeiro lugar. Mas precisamos de medidas ainda melhores, " ele disse.

Com seu próximo lançamento de dados, DES fornecerá dados de lente para 100 milhões de galáxias, e o futuro Large Synoptic Survey Telescope (LSST) observará bilhões de galáxias em uma região muito maior do céu.

"Nosso estudo demonstra com dados reais que podemos usar a correlação entre as distribuições de matéria e raios gama para aprender mais sobre o que causa o fundo de raios gama, "Fornengo disse." Com mais dados do DES, LSST chegando online e outros projetos como o telescópio espacial Euclid no horizonte, seremos capazes de nos aprofundar em nossa compreensão das fontes potenciais. "

Então, os cientistas podem ser capazes de dizer se parte daquele brilho de raios gama provém da autodestruição da matéria escura.

DES é um projeto internacional com mais de 400 cientistas de 25 instituições em 7 países, que se reuniram para realizar a pesquisa. Partes do projeto foram financiadas pelo Office of Science do DOE e pela National Science Foundation. O Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA é um observatório espacial internacional com várias agências. A análise usou dados Fermi-LAT que foram divulgados publicamente pela colaboração internacional LAT.