Com duas partículas, matéria escura pode explicar o brilho de raios gama na Via Láctea e o silêncio em galáxias anãs

O Universo tem um jeito peculiar de guardar segredos: muitas vezes, o mais revelador não é aquilo que os cientistas detetam, mas o que continua teimosamente ausente.

Um novo estudo aponta para uma hipótese ousada, mas simples de imaginar. A matéria escura pode não ser uma única partícula. Em vez disso, poderá ser composta por dois tipos que “trabalham” em conjunto.

Essa ideia pode ajudar a perceber por que um sinal misterioso aparece na Via Láctea, mas não em galáxias mais pequenas.

A investigação está a mudar a forma como os cientistas pensam sobre o comportamento da matéria escura em diferentes ambientes do cosmos.

The mystery of dark matter

A matéria escura constitui uma grande parte do Universo, mas ninguém a observou diretamente. Os cientistas inferem a sua presença através da gravidade.

As galáxias movem-se de formas que a matéria visível não consegue explicar, o que indica que algo invisível acrescenta massa extra.

Muitas teorias propõem que a matéria escura é feita de partículas minúsculas. Quando essas partículas colidem, podem aniquilar-se e libertar energia sob a forma de raios gama. Telescópios como o Fermi Gamma-ray Space Telescope procuram esses sinais.

Os cientistas esperavam encontrar sinais semelhantes em muitas galáxias. No entanto, as observações contam outra história.

The Milky Way’s strange glow

Astrónomos encontraram um forte sinal de raios gama perto do centro da Via Láctea. O sinal desenha um brilho intenso e arredondado. Alguns investigadores suspeitam que a matéria escura esteja por trás disso.

“Right now there seems to be an excess of photons coming from an approximately spherical region surrounding the disk of the Milky Way,” explained Gordan Krnjaic from the Fermi National Accelerator Laboratory.

Este sinal encaixa no que os cientistas esperariam de partículas de matéria escura com uma massa específica. Ainda assim, existe outra hipótese. Um grande conjunto de objetos chamados pulsares também poderia produzir radiação semelhante.

O enigma fica ainda mais interessante quando os cientistas olham para lá da nossa galáxia.

Why dwarf galaxies confuse scientists

As galáxias anãs são pequenas e pouco luminosas, mas contêm grandes quantidades de matéria escura. Se a matéria escura se comportar da mesma forma em todo o lado, estas galáxias deveriam mostrar sinais de raios gama semelhantes.

“If certain theories of dark matter are true, we should see it in every galaxy, for example in every dwarf galaxy,” said Krnjaic.

No entanto, os cientistas não veem esse sinal nas galáxias anãs. Essa ausência cria um grande desafio. Em modelos simples, as interações da matéria escura deveriam gerar sinais tanto em galáxias grandes como em pequenas.

Esta discrepância sugere que a matéria escura pode não ser tão simples como se pensava.

Limits of older ideas

Os modelos tradicionais assumem que a matéria escura é composta por um único tipo de partícula. Essas partículas interagem de formas previsíveis. Em alguns modelos, a taxa de interação mantém-se constante. Noutros, depende da rapidez com que as partículas se movem.

Nenhuma das ideias explica totalmente as observações. A Via Láctea apresenta um sinal forte, enquanto as galáxias anãs não mostram nada.

Os cientistas esperavam que as galáxias anãs produzissem sinais muito mais fracos do que a Via Láctea, mas ainda assim detetáveis com instrumentos melhores.

Como esses sinais não são detetados, parece faltar algo nas teorias atuais.

Two forms of dark matter

Os investigadores propõem que a matéria escura possa ser composta por dois tipos de partículas, em vez de apenas um. Para produzir raios gama, esses dois tipos precisam de se encontrar.

“What we’re trying to point out in this paper is that you could have a different kind of environmental dependence, even if the annihilation probability is constant in the center of the galaxy,” explains Krnjaic.

“Dark matter could straightforwardly be two different particles, and the two different particles need to find each other in order to annihilate.”

O estudo explica que essas partículas existem em dois estados: um mais leve e outro ligeiramente mais pesado, “excitado”. O estado mais pesado só se forma em determinadas condições.

How energy changes everything

A diferença essencial entre galáxias está na energia. As partículas de matéria escura movem-se mais depressa em galáxias grandes como a Via Láctea. Em galáxias anãs mais pequenas, movem-se muito mais devagar.

O estudo mostra que as partículas precisam de energia suficiente para transitar para o estado mais pesado antes de poderem interagir. Na Via Láctea, têm energia para essa mudança. Nas galáxias anãs, não têm.

Este processo ajuda a explicar por que os sinais aparecem num sítio e não noutro.

“In this way, you get very different predictions for the emission,” said Krnjaic. Esta ideia simples resolve um puzzle antigo sem descartar a matéria escura como a origem do sinal.

A changing dark matter population

O estudo também descreve como a matéria escura muda ao longo do tempo. No Universo primordial, existiam ambos os tipos de partículas. Mais tarde, as partículas mais pesadas tornaram-se raras porque se converteram em partículas mais leves.

Em galáxias grandes, as colisões podem voltar a criar partículas mais pesadas. Esse processo permite que os sinais reapareçam. Nas galáxias anãs, essa recriação não acontece porque as partículas não têm energia suficiente.

Isto significa que cada galáxia pode ter uma mistura diferente de partículas de matéria escura.

What future observations may show

Os cientistas vão testar esta ideia com dados melhores. O Fermi Gamma ray Space Telescope continua a observar galáxias. Missões e telescópios futuros podem trazer respostas mais claras.

Se, mais tarde, forem detetados raios gama em galáxias anãs, isso pode indicar que ambos os tipos de partículas existem lá. Se os sinais continuarem ausentes, pode confirmar que a matéria escura se comporta de forma diferente consoante o ambiente.

O novo modelo sugere que a matéria escura pode esconder as suas pistas de forma desigual pelo espaço. Ao estudar tanto o que se vê como o que falta, os cientistas aproximam-se de resolver um dos maiores mistérios da ciência.