Pergunte a Ethan: A Matéria Escura é os ‘Aliens’ da Astrofísica?

O HAWC com seu amplo campo de visão vê os pulsares Geminga e PSR B0656+14 como amplos faróis de raios gama que parecem muito maiores em extensão angular do que a lua da Terra (que é mostrada em escala). Crédito da imagem: Colaboração HAWC.

Se você não consegue explicar o sinal astrofísico que você vê e grita ‘matéria escura’, é provável que você não esteja pensando o suficiente.


Apesar do nosso conhecimento das leis da física e dos sucessos do Modelo Padrão e da Relatividade Geral, existem várias observações no Universo que ainda carecem de uma explicação completa. Da formação de estrelas aos raios cósmicos de alta energia, o Universo ainda tem seus mistérios. Embora tenhamos descoberto muito sobre o espaço, ainda não sabemos tudo. Por exemplo, sabemos que a matéria escura existe, mas não sabemos quais são suas propriedades. Isso significa que podemos atribuir algum efeito desconhecido para a matéria escura? Um leitor anônimo quer saber.



Há TANTAS coisas que eu quero saber... matéria escura. A declaração padrão: [ele] não interage com a matéria, exceto gravitacionalmente. Então, assim como o velho enigma sobre buracos negros – algo que suga tudo – como você o encontra? Então eu li que é detectável (pelo menos um pouco) por outros meios que não as lentes gravitacionais. O que é o processo de aniquilação? Semelhante a pósitron/elétron [aniquilação]?



Existem muitos mistérios por aí, bem como muitas evidências de matéria escura. Mas culpar a matéria escura pelos outros mistérios não é apenas míope, é um ótimo exemplo de mostrar o que acontece quando os cientistas ficam sem boas ideias.

As duas galáxias grandes e brilhantes no centro do Aglomerado Coma, NGC 4889 (esquerda) e a ligeiramente menor NGC 4874 (direita), cada uma excede um milhão de anos-luz de tamanho. Mas as galáxias nos arredores, girando tão rapidamente, apontam para a existência de um grande halo de matéria escura em todo o aglomerado. Crédito da imagem: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Universidade do Arizona.



A matéria escura está em toda parte em todo o Universo. Postado pela primeira vez na década de 1930 para explicar os movimentos rápidos de galáxias individuais dentro de aglomerados de galáxias, surgiu porque se percebeu que toda a matéria normal lá fora – o material feito de prótons, nêutrons e elétrons – era insuficiente para explicar a quantidade total da gravidade. Isso inclui estrelas, planetas, gás, poeira, plasma interestelar e intergaláctico, buracos negros e tudo mais que podemos medir. As linhas de evidência que suportam a matéria escura são numerosas e esmagadoras.

A teia cósmica é impulsionada pela matéria escura, com a estrutura de maior escala definida pela taxa de expansão e energia escura. As pequenas estruturas ao longo dos filamentos se formam pelo colapso da matéria normal que interage eletromagneticamente. Crédito da imagem: Ralf Kaehler, Oliver Hahn e Tom Abel (KIPAC).

Eles não incluem apenas galáxias dentro de aglomerados, embora certamente todos os aglomerados contendo galáxias exibam essa necessidade. A matéria escura é necessária para:



  • as propriedades rotacionais de galáxias individuais,
  • a formação de galáxias de muitos tamanhos diferentes, de elípticas gigantes a galáxias do tamanho da Via Láctea até as pequenas galáxias anãs ao nosso redor,
  • as interações entre pares de galáxias,
  • as propriedades de agrupamento de galáxias e aglomerados de galáxias em grandes escalas,
  • a teia cósmica, incluindo sua estrutura filamentosa,
  • o espectro de flutuações no fundo cósmico de microondas,
  • os efeitos de lentes gravitacionais observados de massas distantes, e
  • a separação observada entre os efeitos da gravidade e a presença de matéria normal em aglomerados de galáxias em colisão.

Das pequenas escalas de galáxias individuais até a de todo o Universo, a matéria escura é necessária.

Os mapas de raios-X (rosa) e de matéria geral (azul) de vários aglomerados de galáxias em colisão mostram uma clara separação entre a matéria normal e os efeitos gravitacionais, algumas das evidências mais fortes da matéria escura. As teorias alternativas agora precisam ser tão elaboradas que sejam consideradas por muitos como bastante ridículas. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suíça/D.Harvey NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Mapa Óptico/Lente: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suíça) e R. Massey (Durham University, Reino Unido).

Colocar tudo isso em contexto com o resto da cosmologia nos leva a acreditar que cada galáxia, incluindo a nossa, contém um halo massivo e difuso de matéria escura ao seu redor. Ao contrário das estrelas, gás e poeira em nossa galáxia, que existe principalmente em um disco, espera-se que o halo de matéria escura seja esférico, pois a evidência esmagadora é que, ao contrário da matéria normal (baseada em átomos), a matéria escura não splat quando você o esmaga em si mesmo ou em matéria normal. Além disso, a matéria escura deve ser mais densa em torno do centro galáctico, diminuindo em densidade à medida que se afasta, e estendendo-se talvez dez vezes mais longe do que as estrelas da própria galáxia. Finalmente, deve haver pequenos aglomerados de matéria escura que existem em cada halo.



De acordo com modelos e simulações, todas as galáxias deveriam estar embutidas em halos de matéria escura, cujas densidades atingem os centros galácticos. No entanto, a menos que a matéria escura obedeça a modelos muito particulares e exiba propriedades específicas, será difícil explicar um excesso de raios gama ou pósitrons com matéria escura. Crédito da imagem: NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI).

Para reproduzir o conjunto completo de observações listadas acima, bem como outras, a matéria escura não precisa ter outras propriedades além das seguintes: ela precisa ter massa; precisa interagir gravitacionalmente; ele precisa estar se movendo lentamente em relação à velocidade da luz desde tempos muito antigos; e não precisa interagir muito por meio de nenhuma das outras forças. É isso. Quaisquer outras interações são severamente restritas, mas não descartadas.



Então, por que, toda vez que há uma observação astrofísica onde há um excesso de algum tipo de partícula normal – fótons, pósitrons, antiprótons, etc. – o primeiro instinto das pessoas é culpar a matéria escura?

Quando você não sabe como dar sentido às suas observações, apontar para a matéria escura para uma observação não gravitacional é o mesmo que agarrar os canudos. Crédito da imagem: Captura de tela do Google Notícias.

No início desta semana, uma equipe analisando fontes de raios gama em torno de pulsares publicaram seus resultados em Ciência , tentando entender melhor de onde vem nosso excesso de pósitrons observado. Os pósitrons, a contraparte de antimatéria dos elétrons, são produzidos naturalmente de várias maneiras: acelerando partículas de matéria normal a energias suficientemente altas que, quando colidem com outras partículas de matéria, podem produzir pares de elétron-pósitron por meio de Einstein. E = mc2 . Criamos esses pares rotineiramente em experimentos de física de partículas, e também podemos ver a evidência da criação de pósitrons astrofisicamente, tanto diretamente em buscas de raios cósmicos quanto indiretamente, procurando o sinal de energia revelador da reaniquilação elétron-pósitron.

Os sinais característicos de aniquilação de pósitrons/elétrons em baixas energias, uma linha de fótons de 511 keV, foram cuidadosamente medidos pelo satélite INTEGRAL da ESA. Crédito da imagem: J. Knödlseder (CESR) e equipe SPI; observatório INTEGRAL da ESA.

Essas assinaturas astrofísicas de pósitrons são vistas ao redor do centro galáctico, focadas em fontes pontuais como microquasares e pulsares, localizadas em uma região misteriosa de nossa galáxia conhecida como o grande aniquilador, e vistas como parte de um fundo difuso cuja origem é desconhecida. Uma coisa é certa, porém: vemos mais pósitrons do que esperamos, no geral. Sabemos disso há anos; PAMELA mediu, Fermi mediu e o Espectrômetro Magnético Alfa a bordo da ISS mediu. Mais recentemente, o Observatório de Cherenkov de Água de Alta Altitude (HAWC) mediu raios gama de nível TeV de energia muito alta, mostrando que existem partículas extremamente aceleradas provenientes de pulsares de meia-idade. Mas, infelizmente, não é suficiente para explicar o excesso de pósitrons que precisamos.

O excesso de pósitrons em energias mais altas é difícil de explicar, mas a falta de um corte no espectro, que continua em energias mais altas graças ao HAWC, é uma evidência contra a origem da matéria escura para essa assinatura. Crédito da imagem: M. Aguilar et al. pela colaboração AMS, PRL 110, 141102 (2013).

Mas, por alguma razão, a cada medição do excesso de pósitrons, ou a cada observação de uma fonte astrofísica que não pode explicar isso, a narrativa imediatamente se torna, não podemos explicá-la, portanto, é devido à matéria escura. O que é muito ruim, porque existem muitas fontes astrofísicas candidatas que não exigem nada exótico, incluindo:

  • produção secundária de pósitrons e raios gama de outras partículas,
  • microquasares ou outros buracos negros de alimentação,
  • pulsares muito jovens ou muito velhos, incluindo magnetares,
  • e remanescentes de supernovas.

Essa lista também não é exaustiva, mas apenas um conjunto de exemplos do que pode estar criando esse excesso.

Um remanescente de supernova não apenas expele elementos pesados ​​criados na explosão de volta ao Universo, mas a presença desses elementos pode ser detectada da Terra. Crédito da imagem: NASA / Observatório de Raios-X Chandra.

Muitos que trabalham no campo favoreceram a matéria escura, em grande parte porque seria revolucionário e inovador se a matéria escura aniquilasse e produzisse raios gama e partículas de matéria normal. Seria o cenário dos sonhos para os caçadores astrofísicos de matéria escura. Mas o pensamento positivo nunca fez algo verdadeiro e, até onde podemos dizer, a seção transversal de aniquilação de matéria escura e matéria escura ainda é indistinguível de zero. Embora a matéria escura seja sempre enfatizada como uma possibilidade para explicar o excesso de pósitrons, não é mais provável que os alienígenas expliquem a estrela de Tabby.

A ideia de envolver uma estrela inteiramente em material coletor de luz é conhecida como esfera de Dyson. Enquanto em construção, pode bloquear cada vez mais a luz da estrela. Esta explicação improvável para a estrela de Tabby é semelhante ao cenário de 'matéria escura para pósitrons'. Crédito da imagem: arte de domínio público por CapnHack.

Depois de entrar em contato com Brenda Dingus, a investigadora principal do HAWC, recebi o seguinte comentário:

Não há dúvida de que existem outras fontes de pósitrons. No entanto, os pósitrons não viajam muito longe de suas fontes e não há muitas fontes próximas. Os dois melhores candidatos foram detectados pelo HAWC, e agora sabemos o número de pósitrons que eles produzem. Também sabemos como esses pósitrons se difundem para longe de suas fontes e são mais lentos do que se supunha anteriormente. Portanto, enquanto confirmávamos fontes de pósitrons próximas, descobrimos que os pósitrons são muito lentos para se afastar de sua origem e, portanto, não estão produzindo o excesso de pósitrons na Terra.

Quando você descarta uma possibilidade, isso torna as outras possibilidades mais prováveis. No entanto, isso não significa que os pósitrons DEVEM vir da matéria escura. Não quisemos insinuar isso.

O excesso de pósitrons implícito nas observações do HAWC indica que apenas uma pequena fração dos pósitrons necessários pode vir de fontes como os pulsares de meia-idade observados nas proximidades. Crédito da imagem: A.U. Abeysekara et al., Science Vol 358, Edição 6365, 17 de novembro de 2017.

É verdade e notável que os pósitrons implícitos nos dados do HAWC explicam apenas 1% dos pósitrons observados pelos outros experimentos, indicando que outra coisa é responsável. Quando você vir uma observação que nossas ideias convencionais não podem explicar, como um excesso de pósitrons astrofísicos, mantenha na parte de trás de sua cabeça que pode ser matéria escura, exibindo as propriedades de interação há muito procuradas que nos iludiram tanto. distante. Mas é muito mais provável que algum outro processo astrofísico esteja acelerando partículas convencionais conhecidas para produzir esses efeitos. Quando você tem um mistério na ciência, mantenha sua mente aberta para uma revolução, mas aposte no mundano. E nunca, nunca acredite no hype que afirma o contrário.


Starts With A Bang fará um hiato de uma semana para participar do Conferência Fronteiras da Física Fundamental em Orihuela, Espanha. Retornaremos em 4 de dezembro, mas, como sempre, envie suas perguntas ao Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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