Raios-X aumentam especulação sobre matéria escura
Muitas das grandes descobertas na astronomia começaram com um sinal sem explicação: pulsares, quasares, e a radiação cósmica de fundo são apenas três de muitos exemplos. Quando astrônomos recentemente descobriram raios-X sem qualquer origem óbvia, uma nova e empolgante hipótese foi levantada. Talvez esse seja um sinal da matéria escura, a substância invisível que compõe cerca de 85% de toda a matéria do Universo. Se esse for caso, talvez a identidade dessas partículas seja diferente da prevista pelos modelos dominantes.
Esses raios-X anômalos, identificados pelo telescópio XMM-Newton da Agência Espacial Europeia, têm origem em duas fontes diferentes: a Galáxia de Andrômeda e o aglomerado galáctico de Perseu. O desafio é determinar o que criou esses raios-X, como descrito em um estudo publicado no mês passado em Physical Review Letters. (Veja também umestudo anterior, publicado em The Astrophysical Journal.) O sinal é real, mas fraco, e astrônomos agora precisam determinar se ele é extraordinário ou se tem uma explicação ordinária. Se a distinção puder ser feita, será possível iniciar o trabalho de identificar que tipo de matéria escura pode ser responsável pelo sinal.
“Se conseguirmos mostrar de maneira conclusiva que a linha de emissão de raios-X se deve à matéria escura, as implicações certamente serão profundas”, escreveu o astrofísico Kevork Abazajian da University of California, Irvine, em um comentário publicado em 15 de dezembro de 2014 na Physical Review Letters.
Se essa observação parece familiar, é porque pesquisadores usando o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama, da Nasa, detectaram raios gama perto do centro da Via Láctea, e alguns acreditam que esses raios possam vir de partículas de matéria escura em processo de colisão e aniquilação. A diferença entre as observações do Fermi e do XMM-Newton é a energia da luz envolvida, que está conectada às massas das hipotéticas partículas de matéria escura que a criaram. Os raios gama do Fermi são mais de um milhão de vezes mais energéticos que os raios-X, então as partículas que os criaram seriam mais massivas que um próton.
Os raios-X, por outro lado, teriam que se originar de partículas significativamente mais leves que um elétron. (Para quem está anotando tudo, os raios-X têm uma energia de aproximadamente 3,5 kilo-elétron volts, correspondendo a menos de um centésimo da massa do elétron). Se a detecção do XMM-Newton realmente for um sinal de matéria escura, porém, ela não se deverá às partículas massivas de interação fraca (WIMPs, em inglês), que são as candidatas mais populares dos pesquisadores a constituintes da matéria escura.
Outras possíveis partículas de matéria escura poderiam incluir neutrinos estéreis – primos mais pesados dos tipos produzidos em muitas reações nucleares – ou possibilidades mais exóticas, como áxions, que foram originalmente previstos para resolver um problema diferente na física de partículas. Essas duas partículas permanecem hipotéticas mas, se existirem, seriam muito menos massivas que os elétrons.
Se os culpados forem neutrinos estéreis, eles teriam massas levemente maiores que a energia dos fótons de raios-X. Essas partículas decaem nos bem conhecidos neutrinos padrão, e o resto de sua massa é convertida em luz de raios-X – o mesmo sinal observado pelo XMM-Newton. Essa ideia, porém, apresenta alguns problemas: não existem raios-X equivalentes a esses na Via Láctea, e outros experimentos que caçam neutrinos estéreis ainda não encontraram nada.
Em contraste, áxions são estáveis mas se transformam em fótons na presença de fortes campos magnéticos. Como galáxias e aglomerados galácticos geram um magnetismo muito intenso, eles são os principais produtores de áxions. As partículas (tecnicamente, “partículas semelhantes a áxions’) necessárias para produzir os raios-X anômalos teriam massa maior que o áxion típico, mas dentro das limitações permitidas por algumas teorias.
Como é muito difícil descartar outras possíveis fontes de raios-X, existem grandes preocupações. Átomos emitem luz de energias específicas dependendo da configuração de seus elétrons, mas físicos ainda não identificaram todas essas energias, especialmente para os raios-X. Em outras palavras, é possível que esse sinal não-identificado seja apenas uma nova linha de emissão de átomos comuns ou de plasma. Como escreveu o físico da CNRS/Université Paris-Sud, Adam Falkowski, aceitar a explicação da matéria escura depende de como se modela a emissão de plasma: “Parece que o diabo mora nos detalhes... (o que, para ser franco, não é tranquilizador)”.
Os autores do estudo mais recente acreditam que a opção do plasma não é muito provável, porque a Via Láctea contém uma quantidade relativamente pequena dele. Outro problema é que parece haver uma discrepância entre os locais onde os raios-X são emitidos e os mapas de distribuição de massa em aglomerados galácticos, que indicam o esconderijo da matéria escura.
Um observatório de raios-X da agência espacial japonesa, chamado de Astro-H e deve ser lançado este ano, carregará instrumentos com precisão suficiente para determinar a diferença entre emissões atômica e assinaturas de matéria escura. E ter mais dados é sempre melhor; encontrar outras galáxias e aglomerados galácticos – especialmente os mais distantes – com o mesmo tipo de emissão de raios-X ajudaria a limitar as possibilidades.
Por fim, astrônomos precisam tentar conciliar uma importante afirmação – a detecção de matéria escura – com um sinal astronômico relativamente fraco, que poderia ter várias explicações plausíveis. “Eu acho que as pessoas que usam resultados fracos e insistem neles terão problemas”, declara o físico de partículas Leslie Rosenberg, da University of Washington, em relação à hipótese dos áxions. Atualmente, é muito difícil dizer que um sinal anômalo de raios-X é uma detecção definitiva da matéria responsável pela maior parte da massa do Universo. Assim como acontece com qualquer alegação incrivelmente nova, é melhor evitar apostas por enquanto.
Esses raios-X anômalos, identificados pelo telescópio XMM-Newton da Agência Espacial Europeia, têm origem em duas fontes diferentes: a Galáxia de Andrômeda e o aglomerado galáctico de Perseu. O desafio é determinar o que criou esses raios-X, como descrito em um estudo publicado no mês passado em Physical Review Letters. (Veja também umestudo anterior, publicado em The Astrophysical Journal.) O sinal é real, mas fraco, e astrônomos agora precisam determinar se ele é extraordinário ou se tem uma explicação ordinária. Se a distinção puder ser feita, será possível iniciar o trabalho de identificar que tipo de matéria escura pode ser responsável pelo sinal.
“Se conseguirmos mostrar de maneira conclusiva que a linha de emissão de raios-X se deve à matéria escura, as implicações certamente serão profundas”, escreveu o astrofísico Kevork Abazajian da University of California, Irvine, em um comentário publicado em 15 de dezembro de 2014 na Physical Review Letters.
Se essa observação parece familiar, é porque pesquisadores usando o Telescópio Espacial Fermi de Raios Gama, da Nasa, detectaram raios gama perto do centro da Via Láctea, e alguns acreditam que esses raios possam vir de partículas de matéria escura em processo de colisão e aniquilação. A diferença entre as observações do Fermi e do XMM-Newton é a energia da luz envolvida, que está conectada às massas das hipotéticas partículas de matéria escura que a criaram. Os raios gama do Fermi são mais de um milhão de vezes mais energéticos que os raios-X, então as partículas que os criaram seriam mais massivas que um próton.
Os raios-X, por outro lado, teriam que se originar de partículas significativamente mais leves que um elétron. (Para quem está anotando tudo, os raios-X têm uma energia de aproximadamente 3,5 kilo-elétron volts, correspondendo a menos de um centésimo da massa do elétron). Se a detecção do XMM-Newton realmente for um sinal de matéria escura, porém, ela não se deverá às partículas massivas de interação fraca (WIMPs, em inglês), que são as candidatas mais populares dos pesquisadores a constituintes da matéria escura.
Outras possíveis partículas de matéria escura poderiam incluir neutrinos estéreis – primos mais pesados dos tipos produzidos em muitas reações nucleares – ou possibilidades mais exóticas, como áxions, que foram originalmente previstos para resolver um problema diferente na física de partículas. Essas duas partículas permanecem hipotéticas mas, se existirem, seriam muito menos massivas que os elétrons.
Se os culpados forem neutrinos estéreis, eles teriam massas levemente maiores que a energia dos fótons de raios-X. Essas partículas decaem nos bem conhecidos neutrinos padrão, e o resto de sua massa é convertida em luz de raios-X – o mesmo sinal observado pelo XMM-Newton. Essa ideia, porém, apresenta alguns problemas: não existem raios-X equivalentes a esses na Via Láctea, e outros experimentos que caçam neutrinos estéreis ainda não encontraram nada.
Em contraste, áxions são estáveis mas se transformam em fótons na presença de fortes campos magnéticos. Como galáxias e aglomerados galácticos geram um magnetismo muito intenso, eles são os principais produtores de áxions. As partículas (tecnicamente, “partículas semelhantes a áxions’) necessárias para produzir os raios-X anômalos teriam massa maior que o áxion típico, mas dentro das limitações permitidas por algumas teorias.
Como é muito difícil descartar outras possíveis fontes de raios-X, existem grandes preocupações. Átomos emitem luz de energias específicas dependendo da configuração de seus elétrons, mas físicos ainda não identificaram todas essas energias, especialmente para os raios-X. Em outras palavras, é possível que esse sinal não-identificado seja apenas uma nova linha de emissão de átomos comuns ou de plasma. Como escreveu o físico da CNRS/Université Paris-Sud, Adam Falkowski, aceitar a explicação da matéria escura depende de como se modela a emissão de plasma: “Parece que o diabo mora nos detalhes... (o que, para ser franco, não é tranquilizador)”.
Os autores do estudo mais recente acreditam que a opção do plasma não é muito provável, porque a Via Láctea contém uma quantidade relativamente pequena dele. Outro problema é que parece haver uma discrepância entre os locais onde os raios-X são emitidos e os mapas de distribuição de massa em aglomerados galácticos, que indicam o esconderijo da matéria escura.
Um observatório de raios-X da agência espacial japonesa, chamado de Astro-H e deve ser lançado este ano, carregará instrumentos com precisão suficiente para determinar a diferença entre emissões atômica e assinaturas de matéria escura. E ter mais dados é sempre melhor; encontrar outras galáxias e aglomerados galácticos – especialmente os mais distantes – com o mesmo tipo de emissão de raios-X ajudaria a limitar as possibilidades.
Por fim, astrônomos precisam tentar conciliar uma importante afirmação – a detecção de matéria escura – com um sinal astronômico relativamente fraco, que poderia ter várias explicações plausíveis. “Eu acho que as pessoas que usam resultados fracos e insistem neles terão problemas”, declara o físico de partículas Leslie Rosenberg, da University of Washington, em relação à hipótese dos áxions. Atualmente, é muito difícil dizer que um sinal anômalo de raios-X é uma detecção definitiva da matéria responsável pela maior parte da massa do Universo. Assim como acontece com qualquer alegação incrivelmente nova, é melhor evitar apostas por enquanto.
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