A matéria escura é conhecida pelo efeito que exerce sobre o Universo, não por aparecer nos telescópios. Estrelas e galáxias se movimentam como se houvesse muito mais massa do que aquela que conseguimos enxergar, e as estimativas atuais indicam que cerca de 85% de toda a matéria seja desse tipo invisível. É uma presença inferida pela gravidade — um problema que acompanha a física há décadas e que está no centro das tentativas de entender a matéria escura.
Parte importante dessa história veio das observações de Vera Rubin e seus colaboradores. Ao estudar a rotação de galáxias, eles perceberam que estrelas afastadas do centro continuavam se movendo rápido demais para que apenas a matéria visível explicasse o comportamento. O trabalho da astrônoma ajudou a transformar a matéria escura em uma peça central da cosmologia moderna.
O que ainda falta é descobrir do que ela é feita. Um novo resultado de Yi-Zhong Fan e colegas oferece uma pista incomum: uma emissão muito estreita de raios gama, com energia próxima de 43,2 GeV, detectada na direção de três grandes aglomerados de galáxias.
Uma linha estreita no meio do ruído
A equipe analisou 15,5 anos de observações do Telescópio Espacial Fermi. O estudo publicado na Physical Review Letters examinou 13 aglomerados próximos e encontrou o resultado mais forte quando os dados de Virgem, Fornax e Ofiúco foram combinados.
Raios gama, por si só, não são novidade. Muitos fenômenos astrofísicos conseguem produzi-los. O que torna esse caso peculiar é a energia dos fótons se concentrar em uma faixa muito pequena, formando uma linha bem definida no espectro em vez de uma distribuição ampla.
Esse é exatamente um dos sinais procurados em alguns modelos de WIMPs, partículas massivas de interação fraca que há muito figuram entre as candidatas à matéria escura. Se duas dessas partículas se aniquilarem, certos modelos preveem a produção de fótons com energias específicas.
WIMPs, porém, continuam hipotéticas. Experimentos destinados a detectá-las diretamente ainda não encontraram evidências conclusivas, como mostra a longa busca feita por instrumentos como o XENON1T.
A mesma pista apareceu há dez anos
Há um detalhe que torna o resultado mais difícil de descartar: os 43 GeV já haviam chamado atenção antes.
Em 2016, Yun-Feng Liang e colegas analisaram 85 meses de dados do Fermi e relataram uma possível linha nessa mesma faixa de energia em aglomerados de galáxias. Na época, porém, o resultado não tinha força estatística suficiente para ser considerado evidência convincente.
O Fermi continuou observando o céu. Com muitos anos adicionais de dados, a linha não desapareceu. Pelo contrário, tornou-se estatisticamente mais relevante.
Nos três aglomerados mais promissores, sua significância global chegou a aproximadamente 4,3 sigma. É um resultado forte, mas ainda abaixo dos cerca de 5 sigma tradicionalmente exigidos na física de partículas antes que se fale em descoberta.
Por isso, a interpretação precisa ser cuidadosa. O estudo encontrou um sinal persistente e incomum. Não encontrou uma partícula de matéria escura.
O problema está justamente onde o sinal não aparece
A hipótese da matéria escura também enfrenta uma dificuldade importante.
Se a linha de 43,2 GeV estiver sendo produzida pela aniquilação convencional dessas partículas, seria natural procurar algo semelhante em regiões que também deveriam concentrar grandes quantidades de matéria escura. O interior da Via Láctea é uma delas.
A equipe procurou — e não encontrou a mesma linha.
Isso enfraquece a explicação mais simples baseada em aniquilação de matéria escura. Ao mesmo tempo, os autores argumentam que o comportamento do sinal também não combina bem com um simples defeito instrumental, já que um problema do detector não deveria depender de qual região do céu está sendo observada.
Resta então uma situação menos confortável e mais interessante: o sinal pode exigir um modelo diferente de matéria escura ou ter uma origem astrofísica ainda não identificada.
O centro da Via Láctea, aliás, já é palco de outra discussão envolvendo um excesso de raios gama. Nesse caso, pulsares e matéria escura estão entre as explicações propostas. A característica de 43,2 GeV encontrada nos aglomerados é diferente porque aparece como uma linha espectral estreita.
Por que olhar para aglomerados de galáxias
Aglomerados têm uma relação antiga com o problema da matéria escura. Na década de 1930, Fritz Zwicky percebeu que as galáxias do aglomerado de Coma se moviam rápido demais para que apenas a massa visível fosse suficiente para explicar sua dinâmica.
Eles também são bons alvos para buscas atuais. Virgem, Fornax e Ofiúco apresentaram, entre os 13 objetos estudados, as maiores estimativas do chamado fator J — uma medida relacionada à intensidade esperada de um possível sinal produzido pela aniquilação de matéria escura.
Na prática, eram os alvos em que a chance de encontrar essa assinatura seria maior.
Isso ajuda a entender um resultado que, à primeira vista, parece estranho. Quando os outros dez aglomerados foram adicionados à análise, a significância caiu em vez de aumentar. Esses objetos têm uma relação menos favorável entre o sinal esperado e o ruído de fundo, diluindo o efeito observado nos três principais.
O Fermi já produziu falsas esperanças antes
Há um motivo adicional para não transformar 43,2 GeV em descoberta antes da hora. O próprio Fermi já esteve no centro de outro episódio semelhante.
Em 2012, uma possível linha próxima de 130 GeV detectada na direção do centro galáctico despertou grande interesse. Surgiram rapidamente hipóteses de que poderia ser uma assinatura de matéria escura. Análises posteriores reduziram sua importância e levantaram dúvidas sobre efeitos sistemáticos do instrumento e sobre a reconstrução da energia dos fótons.
O episódio não prova que o novo sinal seja um erro. Mostra apenas por que linhas estreitas exigem confirmação independente.
Há, no entanto, uma diferença relevante desta vez: o sinal próximo de 43 GeV apareceu anos atrás e continuou presente depois que uma quantidade muito maior de dados foi acrescentada. Essa persistência é justamente o que torna o novo resultado difícil de ignorar.
Outro telescópio poderá dar a resposta
O Telescópio Espacial Fermi está em operação desde 2008 e continua observando o céu em raios gama. Quanto mais tempo trabalha, maior fica o conjunto de dados disponível para verificar se pequenas anomalias permanecem ou desaparecem.
Fan e colegas também apontam para um futuro observatório como possível árbitro da questão: o Very Large Area Gamma-ray Space Telescope, o VLAST. Segundo os cálculos apresentados no estudo, se a emissão de 43,2 GeV realmente vier desses aglomerados, o instrumento deverá conseguir verificá-la de maneira inequívoca durante seus primeiros dois anos de observação.
Até lá, o resultado ocupa uma posição incomum. É específico demais para ser facilmente ignorado, persistente demais para parecer uma flutuação qualquer e ainda problemático demais para ser anunciado como matéria escura. Para uma área que procura há décadas uma partícula invisível, isso já é motivo suficiente para continuar olhando.
Fonte original: HypeScience