Brilho de raios gama no centro da Via Láctea pode apontar para matéria escura

Um brilho incomum de raios gama vindo do coração da Via Láctea pode ser a tão procurada assinatura de partículas de matéria escura a aniquilarem-se mutuamente, segundo indícios recentes.

Um novo esforço de investigação, baseado em simulações de galáxias semelhantes à Via Láctea, indica que o excesso misterioso e ainda sem explicação de radiação gama na região tem tanta probabilidade de ser provocado por aniquilação de matéria escura quanto por pulsares de milissegundo - e que a hipótese da matéria escura pode até ter uma ligeira vantagem.

"A matéria escura domina o Universo e mantém as galáxias unidas. É extremamente importante e estamos desesperadamente a pensar o tempo todo em ideias de como poderíamos detetá-la", diz o astrofísico Joseph Silk, da Universidade Johns Hopkins.

"Os raios gama, e especificamente a luz excedente que estamos a observar no centro da nossa galáxia, podem ser a nossa primeira pista."

O que é o Excesso GeV do Centro Galáctico (GCE)

Esse brilho em raios gama, conhecido como Excesso GeV do Centro Galáctico (GCE), intriga astrónomos desde que foi identificado, em 2009, em dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi, da NASA. Há algo no centro da galáxia a produzir um brilho na forma de luz de maior energia do Universo; porém, até agora, não se conseguiu determinar com segurança o que está por trás do fenómeno.

Duas explicações concorrentes: matéria escura e pulsares de milissegundo

As duas explicações principais partem de fontes bem diferentes. A primeira é a matéria escura - a enigmática origem de gravidade adicional espalhada pelo Universo, que não se explica pela matéria comum que compõe tudo aquilo que conseguimos detetar diretamente.

Ainda não sabemos do que é feita a matéria escura, mas um candidato hipotético são as partículas massivas de fraca interação, conhecidas pela sigla WIMPs. Os cientistas preveem que, quando WIMPs e as suas antipartículas colidem, aniquilam-se, libertando uma cascata de diferentes partículas, incluindo fotões de raios gama.

A segunda candidata é uma população de pulsares de milissegundo. Trata-se de estrelas de neutrões já no fim do seu ciclo de vida, formadas a partir do núcleo colapsado de uma estrela massiva que expulsou a maior parte do seu material numa explosão de supernova. O que faz de uma estrela de neutrões um pulsar é a sua rotação extremamente rápida. Ao girar, emite feixes de ondas de rádio, partículas e radiação - incluindo raios X e raios gama. À medida que esses feixes varrem o espaço, o pulsar parece, literalmente, pulsar.

Apesar de ainda não se ter detetado a população de pulsares capaz de explicar o GCE, há maneiras de restringir as hipóteses. A população de estrelas antigas que deveria incluir pulsares no bojo galáctico - a região central da Via Láctea, em forma de bolha - parece organizar-se num padrão em X. Já trabalhos anteriores sugerem que o halo de matéria escura da Via Láctea é esférico.

Como essas distribuições diferem, elas também afetariam a forma do GCE de modos distintos. Se o responsável forem pulsares de milissegundo, o GCE tenderia a apresentar um aspeto mais “caixote”, com contornos mais quadrados. Se a origem for matéria escura, a emissão deveria parecer mais esférica. Dependendo de como se interpreta, os dados do Fermi indicam que o GCE tem uma distribuição nitidamente “caixote”.

Simulações da Via Láctea e a forma do halo de matéria escura

Liderada pelo cosmólogo Moorits Mihkel Muru, do Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, na Alemanha, a equipa quis saber se essa forma “caixote” elimina de forma conclusiva a aniquilação de matéria escura da lista de candidatos ao GCE.

Para isso, os investigadores recorreram a supercomputadores e executaram simulações da história evolutiva da Via Láctea. Nessas simulações, mapearam a densidade e a distribuição da matéria escura e compararam-nas com a distribuição de estrelas antigas usada como representante (proxy) de pulsares de milissegundo. Em vez de modelar como a taxa de aniquilação mudaria ao longo do tempo, o grupo concentrou-se na estrutura atual da matéria escura e no sinal de raios gama que ela projetaria hoje.

Os resultados foram “observados” a partir de uma distância de cerca de 8 quiloparsecs - aproximadamente a distância do Sistema Solar ao centro da Via Láctea - para que a aparência final correspondesse ao que veríamos na nossa posição real de observação.

Com isso, descobriram que o halo de matéria escura provavelmente não é perfeitamente redondo: ele parece estar ligeiramente achatado, consequência da longa história de fusões da Via Láctea com outras galáxias. Quando essa geometria é projetada em mapas do céu da Via Láctea, ela pode gerar um brilho em raios gama com aspeto “caixote” mesmo que a origem seja a aniquilação de matéria escura.

Em outras palavras, uma forma achatada não é, por si só, um diagnóstico exclusivo de pulsares de milissegundo; ela pode também ser compatível com matéria escura.

"Ambas as hipóteses para o GCE, a de aniquilações de matéria escura e a de pulsares de milissegundo, são igualmente plausíveis com base na morfologia, no espectro e na intensidade, com talvez uma ligeira vantagem para a hipótese da matéria escura no último desses atributos, tendo em vista a deficiência observada de pulsares de milissegundo", escrevem os investigadores no artigo.

Textura do sinal e observatórios que podem desempatar

Também é importante notar que algumas observações encontraram uma granulação ligeiramente irregular no GCE, como se esperaria de fontes pontuais - caso de pulsares de milissegundo. Já a aniquilação de matéria escura tenderia a produzir um brilho mais suave e uniforme. Este novo estudo não aborda diretamente essa textura em pequena escala (que já foi examinada noutras análises), mas, se a forma em grande escala do GCE já não exclui a matéria escura, é possível que as duas fontes de radiação gama atuem no centro galáctico.

Os autores destacam que observatórios futuros, como a Rede de Telescópios Cherenkov e o Observatório de Raios Gama do Hemisfério Sul de Campo Amplo, devem ajudar a diferenciar os dois cenários.

"É possível que vejamos os novos dados e confirmemos uma teoria em detrimento da outra", diz Silk. "Ou talvez não encontremos nada, e, nesse caso, será um mistério ainda maior para resolver."

A investigação foi publicada na revista Cartas de Revisão Física.