Matéria escura: o enigma se aprofunda

Análise de 20 anos de dados mostra que enigmáticos sinais eletromagnéticos de galáxias próximas – a maior possibilidade de se identificar a matéria escura – não estão associados a ela

A matéria escura em decaimento deveria produzir um halo brilhante e esférico de emissão de raios X ao redor do centro da Via Láctea, passível de ser detectado quando se olha para regiões em branco da galáxia. Crédito: concepção artística de C. Dessert, N. L. Rodd, B. R. Safdi, Z. Rostomian (Berkeley Lab), com base em dados do telescópio espacial Fermi de raios gama

Nada menos do que 85% do universo é composto de matéria escura, mas não sabemos exatamente o que ela é.

Um novo estudo americano, com pesquisadores da Universidade de Michigan, do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia em Berkeley, descartou que a matéria escura seja responsável por misteriosos sinais eletromagnéticos anteriormente observados de galáxias próximas. Antes desse trabalho, publicado na revista “Science”, havia grandes esperanças de que tais sinais dariam aos físicos evidências concretas para ajudar a identificar a matéria escura.

A matéria escura não pode ser observada diretamente porque não absorve, reflete ou emite luz, mas os pesquisadores sabem que ela existe devido ao efeito que tem sobre a matéria visível. Precisamos da matéria escura para explicar as forças gravitacionais que mantêm as galáxias unidas, por exemplo.

Os físicos sugeriram que a matéria escura é um primo intimamente relacionado do neutrino, chamado neutrino estéril. Os neutrinos – partículas subatômicas sem carga e que raramente interagem com a matéria – são liberados durante as reações nucleares que ocorrem no interior 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 explicar essa massa e também ser matéria escura.

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Instabilidade

Os pesquisadores devem ser capazes de detectar o neutrino estéril porque ele é instável, diz Ben Safdi, professor assistente de física da Universidade de Michigan e coautor do estudo. Decai em neutrinos comuns e radiação eletromagnética. Para detectar a matéria escura, os físicos examinam galáxias em busca dessa radiação eletromagnética na forma de emissão de raios X.

Em 2014, um estudo descobriu excesso de emissão de raios X de galáxias próximas e aglomerados de galáxias. A emissão parece ser consistente com a que surgiria da decomposição da matéria escura estéril de neutrinos, disse Safdi.

Agora, uma metanálise de dados brutos de objetos na Via Láctea obtidos pelo telescópio espacial de raios X XMM-Newton, da Agência Espacial Europeia (ESA), durante um período de 20 anos não encontrou evidências de que o neutrino estéril seja o que compreende a matéria escura.

“Esse trabalho de 2014 e seu acompanhamento confirmaram que o sinal gerou um interesse significativo nas comunidades de astrofísica e física de partículas devido à possibilidade de saber, pela primeira vez, exatamente o que é a matéria escura em nível microscópico”, disse Safdi. “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 evidências experimentais até o momento que apontem para sua existência.”

Linha estudada

Os telescópios de raios X baseados no espaço, como o XMM-Newton, apontam para ambientes ricos em matéria escura a fim de procurar essa fraca radiação eletromagnética na forma de sinais de raios X. A descoberta de 2014 denominou a emissão de raios X de “linha de 3,5 keV” (keV significa quilo elétron-volt) por causa de onde o sinal apareceu nos detectores de raios X.

Os pesquisadores estudaram essa linha na 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 em torno das galáxias. Portanto, quando trabalhos anteriores analisaram galáxias próximas e aglomerados de galáxias, cada uma dessas imagens teria capturado alguma coluna do halo da matéria escura da Via Láctea.

A equipe usou essas imagens para observar a parte “mais sombria” da Via Láctea. Isso melhorou significativamente a sensibilidade de análises anteriores à procura de matéria escura estéril de neutrinos, disse Safdi.

“Para onde quer que olhemos, deve haver algum fluxo de matéria escura do halo da Via Láctea” por causa da localização do Sistema Solar na galáxia, disse Nicholas Rodd, do Berkeley Lab. “Exploramos o fato de que vivemos em um halo de matéria escura” no estudo, ele acrescentou.

Sem evidências

Christopher Dessert, aluno de doutorado da Universidade de Michigan e coautor do estudo, disse que os 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 dificultariam a identificação de sinais específicos que podem estar associados à matéria escura.

“A razão pela qual estamos olhando através do halo de matéria escura galáctica da Via Láctea é que o fundo é muito menor”, disse Dessert.

Por exemplo, o XMM-Newton capturou imagens de objetos isolados, como estrelas, na Via Láctea. Os pesquisadores capturaram essas imagens e mascararam os objetos de interesse original, deixando ambientes escuros e puros para procurar o brilho da decomposição da matéria escura. A combinação de 20 anos de tais observações permitiu sondar a matéria escura de neutrino estéril a níveis sem precedentes.

Se os neutrinos estéreis eram matéria escura, e se o seu decaimento levasse a uma emissão da linha de 3,5 keV, Safdi e seus colegas pesquisadores deveriam ter observado essa linha em suas análises. Mas eles não encontraram evidências de matéria escura estéril de neutrinos.

“Embora este trabalho, infelizmente, jogue água fria no que parecia ser a primeira evidência da natureza microscópica da matéria escura, ele abre uma nova abordagem para procurar matéria escura que poderia levar a uma descoberta em futuro próximo”, disse Safdi.