A matéria escura em decomposição deve produzir um halo brilhante e esférico de emissão de raios-X ao redor do centro da Via Láctea, que pode ser detectado em regiões que, de outra forma, seriam vazias da galáxia. Crédito:Renderização artística de Christopher Dessert, Nicholas L. Rodd, Benjamin R. Safdi, Zosia Rostomian (Berkeley Lab), com base em dados do Telescópio de Grande Área Fermi.
Oitenta e cinco por cento do universo é composto de matéria escura, mas não sabemos o que, exatamente, isto é.
Um novo estudo da Universidade de Michigan, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e Universidade da Califórnia, Berkeley descartou que a matéria escura seja responsável por misteriosos sinais eletromagnéticos previamente observados em galáxias próximas. Antes desse trabalho, havia grandes esperanças de que esses sinais dariam aos físicos evidências concretas para ajudar a identificar a matéria escura.
A matéria escura não pode ser observada diretamente porque não absorve, refletem ou emitem luz, mas os pesquisadores sabem que existe por causa do efeito que tem sobre outras matérias. Precisamos de matéria escura para explicar as forças gravitacionais que mantêm as galáxias juntas, por exemplo.
Os físicos sugeriram que a matéria escura é uma prima próxima do neutrino, chamado de neutrino estéril. Neutrinos - partículas subatômicas sem carga e que raramente interagem com a matéria - são liberados durante reações nucleares que ocorrem dentro do sol. Eles têm uma pequena quantidade de massa, mas essa massa não é explicada pelo Modelo Padrão de Física de Partículas. Os físicos sugerem que o neutrino estéril, uma partícula hipotética, poderia ser responsável por essa massa e também ser matéria escura.
Os pesquisadores devem ser capazes de detectar o neutrino estéril porque é instável, diz Ben Safdi, co-autor e professor assistente de física na U-M. Ele se decompõe em neutrinos comuns e radiação eletromagnética. Para detectar matéria escura, então, físicos escaneiam galáxias em busca dessa radiação eletromagnética na forma de emissão de raios-X.
Em 2014, um trabalho seminal descobriu o excesso de emissão de raios-X de galáxias e aglomerados de galáxias próximas. A emissão parecia ser consistente com a que surgiria da decomposição da matéria escura de neutrino estéril, Disse Safdi.
Agora, uma meta-análise de dados brutos obtidos pelo telescópio espacial de raios-X XMM-Newton de objetos na Via Láctea durante um período de 20 anos não encontrou evidências de que o neutrino estéril é o que compreende a matéria escura. A equipe de pesquisa inclui o estudante de doutorado da U-M, Christopher Dessert e Nicholas Rodd, um físico do grupo de teoria do Berkley Lab e do Berkley Center for Theoretical Physics. Seus resultados são publicados na revista Ciência .
"Este artigo de 2014 e trabalhos de acompanhamento confirmaram que o sinal gerou uma quantidade significativa de interesse nas comunidades de astrofísica e física de partículas devido à possibilidade de saber, pela primeira vez, precisamente o que é a matéria escura em um nível microscópico, "Safdi disse." Nossa descoberta não significa que a matéria escura não seja um neutrino estéril, mas significa que - ao contrário do que foi afirmado em 2014 - não há nenhuma evidência experimental até o momento que aponte para sua existência. "
Telescópios de raios-X baseados no espaço, como o telescópio XMM-Newton, apontar para ambientes ricos em matéria escura para procurar por essa radiação eletromagnética fraca na forma de sinais de raios-X. A descoberta de 2014 chamou a emissão de raios-X de "linha de 3,5 keV" - keV significa kilo-eletronvolts - por causa de onde o sinal apareceu nos detectores de raios-X.
A equipe de pesquisa pesquisou essa linha em nossa Via Láctea usando 20 anos de dados de arquivo obtidos pelo telescópio espacial de raios-X XMM-Newton. Os físicos sabem que a matéria escura se acumula ao redor das galáxias, então, quando análises anteriores olharam para galáxias próximas e aglomerados de galáxias, cada uma dessas imagens teria capturado alguma coluna do halo de matéria escura da Via Láctea.
A equipe usou essas imagens para observar a parte "mais escura" da Via Láctea. Isso melhorou significativamente a sensibilidade das análises anteriores em busca de matéria escura de neutrino estéril, Disse Safdi.
"Para onde quer que olhemos, deve haver algum fluxo de matéria escura do halo da Via Láctea, "disse Rodd do Laboratório de Berkeley, por causa da localização do nosso sistema solar na galáxia. “Exploramos o fato de vivermos em um halo de matéria escura” no estudo.
Christopher Dessert, um coautor do estudo que é pesquisador em física e Ph.D. estudante da U-M, os referidos aglomerados de galáxias onde a linha de 3,5 keV foi observada também têm grandes sinais de fundo, que servem como ruído nas observações e podem dificultar a localização de sinais específicos que podem estar associados à matéria escura.
"A razão pela qual estamos olhando através do halo de matéria escura galáctica da nossa galáxia, a Via Láctea, é que o plano de fundo é muito mais baixo, "Sobremesa disse.
Por exemplo, O XMM-Newton obteve imagens de objetos isolados, como estrelas individuais na Via Láctea. Os pesquisadores pegaram essas imagens e mascararam os objetos de interesse original, deixando ambientes intocados e escuros para procurar o brilho da decomposição da matéria escura. A combinação de 20 anos de tais observações permitiu uma sonda de matéria escura de neutrino estéril a níveis sem precedentes.
Se os neutrinos estéreis fossem matéria escura, e se sua decadência levou a uma emissão da linha de 3,5 keV, Safdi e seus colegas pesquisadores deveriam ter observado essa linha em sua análise. Mas eles não encontraram nenhuma evidência de matéria escura de neutrino estéril.
"Enquanto este trabalho faz, Infelizmente, jogue água fria no que parece ser a primeira evidência da natureza microscópica da matéria escura, ele abre uma abordagem totalmente nova para a procura de matéria escura que pode levar a uma descoberta em um futuro próximo, "Safdi disse.
