A origem dos misteriosos raios gama da Via Láctea

A região central da nossa galáxia está produzindo raios gama, mas os astrônomos ainda estão debatendo se os pulsares ou a matéria escura são a fonte. Três estudos recentes abordam o debate de frente.

Um número inesperado de raios gama emana do centro de nossa galáxia inesperado porque, até o momento, os astrônomos ainda não entendem o que está produzindo essa radiação de alta energia. As opções principais abrangem o espectro dos exóticos: pulsares de raios gama versus partículas de matéria escura. Estudos recentes preparam o caminho para os pulsares e estreitam o campo de jogo da matéria escura.

O que é o excesso de raios gama?

O brilho em forma de esfera do centro da nossa galáxia, visto pelo telescópio espacial Fermi, é sobreposto a uma imagem de luz visível da Via Láctea.
NASA / A. Mellinger / Universidade Central de Michigan. / T. Linden / Univ. de Chicago

O Telescópio de Área Grande Fermi primeiro pintou uma imagem do céu de raios gama. Várias equipes de cientistas que analisam os dados de Fermi subtraíram todas as fontes conhecidas desse mapa, como pulsares, buracos negros de massa estelar e emissão espalhada proveniente de gás interestelar. Mas mesmo depois que todas as fontes que conhecemos foram removidas, nosso centro galáctico ainda apareceu como um brilho de raios gama. (Descobriu-se recentemente que a galáxia de Andrômeda tem um brilho central semelhante.)

Alguns grupos sugeriram que os raios gama pudessem ser produzidos através de colisões de partículas da matéria escura. Ao contrário da matéria comum, as partículas de matéria escura são suas próprias partículas de antimatéria. Se os dois se encontrarem, eles se aniquilarão, produzindo raios gama e talvez outras partículas subatômicas secundárias.

Ainda assim, dado que as partículas de matéria escura ainda não foram detectadas em laboratório (onde são detectadas não por colisões entre si, mas por raras interações com a matéria comum), muitos cientistas hesitam em aceitar essa explicação. Pulsares, que também produzem raios gama, são a alternativa preferida. Mas os pulsares se mostraram intransigentes: tentativas de detectá-los em comprimentos de onda de rádio em números grandes o suficiente para explicar o excesso falharam.

As ilustrações dos artistas mostram duas das principais maneiras de produzir raios gama: aniquilação de partículas de matéria escura (esquerda) e processos que ocorrem dentro dos campos magnéticos ao redor de pulsares que giram rapidamente (direita).
Greg Stewart / Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC

Pulsares de raios gama

Agora, Mattia di Mauro, Eric Charles e Matthew Wood (SLAC National Accelerator Lab), bem como o restante da colaboração Fermi-LAT, publicaram um novo estudo escolhendo candidatos a pulsar de raios gama em 7 anos e meio de observações de Fermi analisadas usando o pipeline de dados mais recente, conhecido como “Passe 8.” O artigo foi submetido ao Astrophysical Journal (pré-impressão disponível aqui).

Olhando dentro de uma caixa centrada no centro da galáxia, a 40 ° de lado, a equipe selecionou cuidadosamente cerca de 100 fontes pontuais que provavelmente são pulsares de raios gama. Esses pulsares representam a ponta de um iceberg - provavelmente existem muito mais fontes pontuais que Fermi não consegue resolver. Mas, com base em como esses candidatos a pulsares estão espalhados no céu, bem como em seus brilhos, a equipe conclui que eles podem explicar facilmente o excesso de raios gama.

Distribuição simulada de fontes de raios gama na região interna de 40 graus por 40 graus da Via Láctea com o centro galáctico no meio. O mapa mostra pulsares no disco galáctico (estrelas vermelhas) e na região central da galáxia (círculos pretos).
Colaboração NASA / DOE / Fermi LAT

Dito isto, é importante lembrar que estes são candidatos a pulsares - eles ainda precisam ser confirmados como pulsares, ou seja, detectando pulsações nos raios de rádio ou gama.

Tansu Daylan (Universidade de Harvard), que propôs uma explicação da matéria escura para o excesso de raios gama, concorda que essa nova análise é importante. "No entanto", acrescenta, "até termos uma assinatura de fumar para pulsares, acho que ambas as hipóteses devem ser consideradas viáveis".

Outro artigo acrescenta apoio teórico ao cenário pulsar. Em um artigo publicado na Nature Astronomy em 22 de maio (pré-impressão disponível aqui), Roland Crocker (Universidade Nacional Australiana) e colegas modelam como seria uma população de estrelas anãs brancas no centro da Via Láctea.

As anãs brancas são as cinzas queimadas que permanecem quando estrelas menos massivas como o Sol morrem. Mas nem toda anã branca faz isso sozinha. Muitas estrelas se formam em binários, e uma estrela pode acabar se alimentando - ou mesmo se fundindo totalmente - com seu parceiro. A massa extra inclina a anã branca sobre a borda, causando o colapso de uma estrela de nêutrons que gira rapidamente. Esses novos pulsares de milissegundos emitem raios gama. Os cálculos feitos pela equipe de Crocker dizem que deve haver muitos deles, o suficiente para explicar o excesso de raios gama.

Dark Matter: Ainda na mesa

Esses novos estudos deixam um campo de jogo limitado para a matéria escura. Di Mauro e colegas observam que a matéria escura não pode explicar as propriedades dos candidatos a pulsar de raios gama que eles observam, embora também não possa ser totalmente descartada. Além disso, se o excesso de raios gama vier da matéria escura, deveremos ver emissões semelhantes das galáxias anãs. Mas até agora, a Fermi Collaboration relatou zero detecções de raios gama de 25 anões próximos.

Dito isto, outros estudos argumentaram contra esse último ponto, relatando duas tentativas de detecção de raios gama das galáxias anãs Reticulum II e Tucana III. E outro estudo, publicado pela Ming-Yang Cui (Academia Chinesa de Ciências e Universidade de Nanjing, China) e colegas da Physical Review Letters (pré-impressão disponível aqui), argumenta que o excesso de raios gama pode ser devido à matéria escura.

Um excesso de pósitrons com energias muito altas pode ser uma assinatura da aniquilação de partículas de matéria escura. Mas os pulsares não foram descartados como uma possível explicação.
Michele Famiglietti / Colaboração AMS-02 / NASA / ESA / CERN

A equipe de Cui analisa os dados coletados pelo espectrômetro magnético alfa (AMS), que coleta dados de partículas (e antipartículas) a bordo da Estação Espacial Internacional. Entre outras coisas, o AMS mede positrons e antiprótons recebidos (os equivalentes de antimatéria de elétrons e prótons, respectivamente). Há uma quantidade surpreendente de pósitrons com altas energias, uma assinatura que - como o excesso de raios gama - pode ser explicada por pulsares ou partículas de matéria escura.

Os antiprótons são mais difíceis de explicar por processos pulsares, e também exibem um excesso em energias mais altas. A equipe de Cui descobriu que partículas de matéria escura com massas entre 30 e 70 GeV poderiam produzir esse excesso de antipróton. Essa massa, por sua vez, é consistente com as partículas de matéria escura que podem ser responsáveis ​​pelo excesso de pósitrons. E se as partículas de matéria escura fossem responsáveis ​​pelo excesso de raios gama, elas também teriam que ter massas em torno de 50 GeV.

"Queremos enfatizar que consistência não significa correta", adverte o co-autor do estudo, Qiang Yuan (Academia Chinesa de Ciências). Ainda há muito trabalho a ser feito, acrescenta. Felizmente, o experimento AMS está programado para continuar enquanto a Estação Espacial Internacional permanecer operacional, o que deve ser até 2024.

Mesmo que a matéria escura não possa explicar os excessos de raios gama, pósitron e antipróton, isso não significa que não seja real - a evidência cósmica da existência da matéria escura inclui curvas de rotação de galáxias, aglomerados de galáxias e observações fracas de lentes gravitacionais. O que isso significa é que os cientistas terão que se esforçar um pouco mais para fixar as propriedades da matéria escura em algo que um dia possa ser detectado diretamente - ou não.