Matéria escura pode finalmente ter sido detetada no brilho da nossa galáxia.

Uma ténue luminosidade nunca antes identificada no halo galáctico da nossa galáxia pode ser, até agora, a pista mais forte de matéria escura.

Uma nova análise baseada em 15 anos de observações do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi (através do instrumento Large Area Telescope) revelou um brilho de raios gama com energias invulgarmente elevadas que não se encaixa facilmente em nenhuma origem conhecida.

Segundo o astrónomo Tomonori Totani, da Universidade de Tóquio (Japão), esta radiação pode ser produzida quando partículas hipotéticas de matéria escura colidem entre si e se aniquilam.

Um brilho de raios gama no halo galáctico com pico a 20 GeV

Não é a primeira vez que astrónomos procuram um brilho deste género - mas é a primeira vez que se encontra, no halo galáctico (a grande “bolha” de gás e radiação que envolve a Via Láctea), um sinal com um pico precisamente neste nível de energia.

Totani descreve o resultado assim: foram detetados raios gama com energia de fotão de 20 gigaelectrão-volts (20 GeV) - ou 20 mil milhões de electrão-volts, uma quantidade extremamente elevada de energia - estendendo-se numa estrutura semelhante a um halo em direção ao centro galáctico da Via Láctea.

Além disso, o componente de emissão observado “encaixa de perto” na forma prevista para o halo de matéria escura, isto é, na distribuição espacial esperada caso a matéria escura rodeie a galáxia de modo aproximadamente esférico.

Porque é que a matéria escura continua a ser um mistério central

A matéria escura é uma das grandes incógnitas persistentes do Universo. O seu efeito é indireto: manifesta-se como uma gravidade “a mais” - um excesso gravitacional que não se consegue explicar apenas somando a matéria que conseguimos ver.

Os cálculos atuais apontam que a matéria “normal” representa apenas cerca de 16% da distribuição de matéria no Universo, ficando os restantes 84% atribuídos à matéria escura, cuja natureza permanece desconhecida.

WIMPs e aniquilação: como a matéria escura poderia produzir raios gama

Entre os principais candidatos a constituírem a matéria escura está uma classe de partículas hipotéticas chamada partículas massivas de interação fraca (WIMPs).

De acordo com a teoria em vigor, quando WIMPs e as suas antipartículas colidem, ocorre aniquilação: ambas são destruídas, gerando uma cascata de partículas - incluindo fotões de raios gama que, em princípio, poderíamos detetar.

É aqui que esta nova “migaja” ganha importância: se for possível observar um brilho de raios gama sem uma fonte identificável, existe a possibilidade de esse brilho resultar da aniquilação de matéria escura.

Centro galáctico vs. halo galáctico: sinal forte, mas ruído diferente

Várias equipas já procuraram este tipo de assinatura, mas até agora os resultados têm sido ambíguos.

O centro galáctico é um alvo óbvio: acredita-se que aí a densidade de matéria escura seja elevada, pelo que o sinal esperado deveria ser mais intenso. De facto, já surgiram indícios de um excesso de raios gama nessa região.

Por contraste, o halo galáctico tem sido relativamente menos explorado na procura de um sinal de aniquilação. Qualquer emissão associada seria, à partida, muito mais ténue do que no centro, o que torna a deteção mais difícil logo à partida.

Ainda assim, o halo tem uma vantagem: não está repleto de fontes de raios gama como os pulsares de milissegundo que se pensa estarem disseminados pelo centro galáctico. Isso significa que, caso exista um sinal, ele poderá surgir de forma mais “limpa”, com menos contaminação por fontes astrofísicas comuns.

Como se extrai um excesso tão fraco: 15 anos do Fermi e comparação com fontes conhecidas

Para contornar o problema da fraqueza do sinal no halo galáctico, Totani recorreu a várias estratégias. A primeira foi simples, mas exigente: usar um conjunto de dados excecionalmente longo - 15 anos de observações do Fermi Large Area Telescope.

Sendo o halo tão pouco luminoso, os fotões de raios gama são relativamente raros. É preciso acumular um número elevado de deteções para permitir uma análise estatística robusta capaz de evidenciar um excesso. Além disso, mais dados ajudam a aumentar a relação sinal–ruído, tornando as conclusões mais fiáveis.

O procedimento passou por comparar as observações com fontes conhecidas de emissão de raios gama no halo, incluindo as bolhas de Fermi e fontes pontuais. Depois de contabilizar esses contributos, a emissão remanescente foi reunida num mapa.

Esse mapa final revelou uma região grande, aproximadamente esférica e semelhante a um halo, com emissão ténue de raios gama e um pico energético em 20 GeV - valor que cai dentro do intervalo previsto para aniquilação de WIMPs. Não é uma prova definitiva, mas é suficientemente intrigante para justificar análises adicionais.

O que significaria “ver” matéria escura - e porque o modelo padrão entra na conversa

Totani argumenta que, caso a interpretação se confirme, poderá ser a primeira vez que a humanidade “vê” a matéria escura de forma direta, através de um produto da sua aniquilação.

Nesse cenário, a matéria escura corresponderia a uma partícula nova, não incluída no modelo padrão da física de partículas - o que representaria um avanço de grande impacto tanto na astronomia como na física fundamental.

Ceticismo necessário: replicação, alternativas astrofísicas e outras regiões do Universo

Apesar do potencial, ainda há muito a fazer antes de se poder falar em confirmação. Será necessário, por exemplo:

• análises independentes do mesmo conjunto de dados para verificar se o excesso é reprodutível;
• estudos para determinar se outros processos astrofísicos podem gerar um brilho semelhante com o mesmo pico energético;
• observações e comparações com outros ambientes, como galáxias anãs, procurando halos equivalentes.

Tudo isto exige tempo - muito provavelmente anos de trabalho.

Um passo interessante numa pergunta com quase um século

Ainda assim, um excesso de raios gama com a energia e a geometria esperadas para aniquilação de matéria escura é um avanço relevante rumo a uma resposta para a questão da matéria escura, levantada há quase um século pelo astrónomo suíço Fritz Zwicky.

Nota adicional: porque 20 GeV é um valor tão apelativo nesta procura

Energias na ordem das dezenas de GeV são particularmente úteis porque permitem distinguir melhor entre diferentes mecanismos de produção de raios gama. Se o pico for real e persistir com novas metodologias de análise, a sua posição energética ajuda a restringir quais as propriedades possíveis das partículas de matéria escura (por exemplo, a massa típica associada às WIMPs) e a separar o sinal de contribuições mais “suaves” de fundo astrofísico.

Complementaridade com outras abordagens

Mesmo que o halo da Via Láctea forneça um indício, a confirmação de matéria escura tende a exigir coerência entre várias linhas de evidência: deteção indireta (raios gama), experiências de deteção direta em laboratórios subterrâneos e resultados de colisores. Um sinal consistente entre estas frentes seria muito mais convincente do que qualquer observação isolada.

A investigação foi publicada no Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas.