Não, sinais misteriosos do espaço não são matéria escura
O satélite Fermi da NASA construiu o mapa de alta energia e resolução mais alta do Universo já criado. O céu de raios gama é visto pela primeira vez neste nível de detalhe, mas os sinais inexplicáveis do centro galáctico têm sido difíceis de explicar. Crédito da imagem: Colaboração NASA/DOE/Fermi LAT.
Se você tiver uma escolha entre objetos astrofísicos conhecidos e nova física, aposte no conhecido.
Dois estudos recentes realizados por equipes nos EUA e na Holanda mostraram que o excesso de raios gama no centro galáctico é pontilhado, não suave como seria de esperar para um sinal de matéria escura. Esses resultados sugerem que as manchas podem ser devido a fontes pontuais que não podemos ver como fontes individuais… – Eric Charles
O espaço é um lugar estranho, e a variedade de objetos e fenômenos do Universo é sempre um terreno fértil para a investigação científica. Às vezes encontramos partículas ou assinaturas de energia onde não as esperamos; às vezes os detalhes diferem do que nossas teorias ou modelos predizem; às vezes, um sinal de luz aparece onde não há fonte astrofísica para explicá-lo. Em todos esses casos, é uma oportunidade fantástica para aprender algo novo sobre o nosso Universo.
Mas enquanto nossa imaginação – e isso inclui a imaginação de muitos cientistas – pode imediatamente correr para novos fenômenos como partículas exóticas, matéria escura ou nova física, isso deve ser o último recurso. Em vez disso, uma nova reviravolta em como as leis e regras da física existentes se aplicam a um novo cenário quase sempre contém a explicação real. Em particular, os fótons de alta energia originários do centro galáctico eram um mistério que muitos esperavam que a matéria escura fosse a solução. Mas parece que a astrofísica normal é a resposta, afinal.
Um excesso de raios gama vindos do centro da Via Láctea é provavelmente devido a uma população de pulsares – estrelas de nêutrons muito densas e altamente magnetizadas que giram rapidamente e emitem “feixes” de raios gama como faróis cósmicos. Crédito da imagem: NASA/CXC/Universidade de Massachusetts/D. Wang et ai.; Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.
O satélite Fermi da NASA mede os raios gama: os fótons de maior energia que são produzidos naturalmente em nosso Universo. Existem algumas fontes astrofísicas conhecidas para eles, principalmente na forma de pulsares. Os pulsares são núcleos ultra-colapsados de estrelas supermassivas que explodiram. Os próprios núcleos são como um núcleo atômico gigante, talvez com alguns quilômetros de diâmetro, contendo mais do que a massa do Sol naquele pequeno volume. O interior de um pulsar em 90% é composto por nêutrons, com partículas carregadas como prótons e elétrons existentes nas camadas externas. Eles giram incrivelmente rápido – o pulsar mais rápido conhecido gira 766 vezes por segundo – criando campos magnéticos intensos que são bilhões de vezes mais fortes do que qualquer coisa já feita na Terra.
Um pulsar, feito de nêutrons, tem uma camada externa de prótons e elétrons, que criam um campo magnético extremamente forte trilhões de vezes maior que o do nosso Sol na superfície. Crédito da imagem: Mysid do Wikimedia Commons/Roy Smits.
Não só os pulsares podem acelerar partículas carregadas para energias incrivelmente altas, mas também podem causar espontaneamente a criação de pares elétron/pósitron. Graças a Einstein E = mc2 , sabemos que é possível criar pares de matéria e antimatéria a partir de energia pura, e os pulsares estão entre as fontes astrofísicas do Universo poderosas o suficiente para fazer isso naturalmente. Quando um pósitron viaja pelo Universo, é apenas uma questão de tempo antes de encontrar uma partícula de matéria normal, sendo um elétron o encontro mais comum. Quando pósitrons e elétrons interagem, ambos se aniquilam, produzindo dois fótons de uma energia muito particular: 511 keV cada.
Duas bolhas de assinaturas de alta energia são evidências de que a aniquilação de elétron/pósitron está ocorrendo, provavelmente alimentada por processos no centro galáctico. Crédito da imagem: Goddard Space Flight Center da NASA.
Esses fótons de raios gama são o que Fermi viu. O que Fermi descobriu, anos atrás, foi que havia um excesso desses raios gama além do previsto, vindo do centro galáctico. Muitos astrofísicos esperançosos notaram que também há halos de matéria escura previstos para centrar em galáxias, e que a densidade da matéria escura será maior no centro galáctico. Se a matéria escura tiver as propriedades certas de partícula, ela pode se aniquilar consigo mesma, produzindo esses mesmos pares de elétron/pósitron e o excesso de raios gama resultante que vemos.
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 com matéria escura. Crédito da imagem: NASA, ESA e T. Brown e J. Tumlinson (STScI).
Dadas essas duas possibilidades – ou há algum fenômeno astrofísico mundano de alta energia em jogo ou há matéria escura se aniquilando consigo mesma – qual você investigaria primeiro? Se você está pensando como um cientista, seu primeiro instinto deve ser olhar para as possibilidades astrofísicas conhecidas como a explicação padrão. É apenas se essa explicação falhar que devemos começar a considerar seriamente o cenário mais exótico da matéria escura. Sabemos que existem pulsares e buracos negros; sabemos que eles criam pares de matéria/antimatéria; sabemos que eles podem produzir um excesso de fótons de 511 keV. Para a matéria escura, temos apenas evidências indiretas (através de seus efeitos gravitacionais) de que ela existe; não sabemos o que ele cria ou como (ou E se ) interage de outra forma.
Espera-se que os pulsares estejam localizados na Via Láctea, com base em simulações. Os dados vermelhos indicam pulsares de disco, enquanto os pontos pretos indicam pulsares protuberantes. Crédito da imagem: Colaboração NASA/DOE/Fermi LAT.
Os pulsares representam 70% de todas as fontes de raios gama conhecidas na Via Láctea. De acordo com os últimos resultados da colaboração Fermi-LAT , um levantamento de uma região espacial abrangendo 1.600 graus quadrados e focado no centro galáctico revelou aproximadamente 400 fontes pontuais de emissão de raios gama. Eles conseguiram deduzir que, se o disco galáctico contém 270% dos pulsares que o bojo galáctico possui, os pulsares podem explicar inteiramente esse excesso de raios gama do centro galáctico. Um total de cerca de 1.000 fontes de pulsares explicaria a totalidade do sinal de raios gama. As fontes detectadas também têm um perfil espectral diferente do que os modelos de matéria escura indicam, desfavorecendo ainda mais a explicação da matéria escura.
Sobreposto ao centro galáctico na luz visível, o excesso de raios gama visto pelo satélite Fermi da NASA é consistente com pulsares, muito mais do que com matéria escura. Crédito da imagem: NASA; A. Mellinger/Universidade Central de Michigan; T. Linden/Universidade de Chicago.
Mas o indicador mais forte de que isso são pulsares e não matéria escura vem quando começamos a olhar para outras galáxias. Embora todas as galáxias devam ter halos de matéria escura, apenas galáxias que formaram estrelas relativamente recentemente, nos últimos 1 bilhão de anos, deveriam ter pulsares nelas. Isso significaria que, se os pulsares estivessem corretos, galáxias como Andrômeda e a Via Láctea deveriam mostrar excessos de raios gama de seus centros, mas não a maioria das galáxias anãs em nossa vizinhança. De acordo com Seth Digel, membro da equipe Fermi-LAT:
Se o sinal fosse devido à matéria escura, esperaríamos vê-lo também nos centros de outras galáxias. O sinal deve ser particularmente claro em galáxias anãs que orbitam a Via Láctea. Essas galáxias têm muito poucas estrelas, normalmente não têm pulsares e são mantidas juntas porque têm muita matéria escura. No entanto, não vemos nenhuma emissão significativa de raios gama deles.
Quando você vê algo inesperado, sempre há uma chance de ser algo novo e emocionante, como a matéria escura. Mas, na maioria das vezes, se há uma chance de que a física e os objetos astrofísicos que já conhecemos possam explicar isso, é aí que está a resposta. Nossas mentes podem ser instintivamente atraídas para as possibilidades mais fantásticas e excitantes, mas esse é o nosso próprio viés. No final, como aconteceu neste caso, a chave para fazer boa ciência é discriminar entre as assinaturas de diferentes mecanismos possíveis. Nesse caso, são os pulsares, não a matéria escura, que explicam o incrível sinal de energia vindo do centro da nossa galáxia.
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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