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

Um brilho estranho e até então inédito no halo galáctico da nossa galáxia pode ser a evidência mais forte até agora na busca pela matéria escura.

Uma nova análise, baseada em 15 anos de dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi (mais especificamente do instrumento Grande Telescópio de Área do Fermi), identificou uma emissão de raios gama com energia incomumente alta que não se encaixa com facilidade em nenhuma fonte já conhecida.

Segundo o astrónomo Tomonori Totani, da Universidade de Tóquio (Japão), esse brilho pode ser a radiação gerada quando partículas hipotéticas de matéria escura colidem entre si e se destroem mutuamente.

Um sinal incomum no halo galáctico da Via Láctea

Não é a primeira vez que astrónomos procuram um brilho desse tipo - mas, de acordo com o estudo, é a primeira vez que aparece um excesso que atinge o máximo especificamente em torno dessa energia no halo galáctico, a grande “bolha” de gás e radiação que envolve a Via Láctea.

Totani descreve o resultado assim:

“Detetámos raios gama com energia do fotão de 20 gigaelétron-volts (20 GeV) - isto é, cerca de 20 mil milhões de elétron-volts, uma quantidade extremamente elevada de energia - estendendo-se numa estrutura semelhante a um halo em direção ao centro da Via Láctea.”

“A componente de emissão de raios gama corresponde de perto ao formato esperado para o halo de matéria escura.”

Por que a matéria escura entra nessa história

A matéria escura é um dos mistérios mais persistentes do Universo. Ela é percebida indiretamente como uma gravidade “a mais”, que não pode ser explicada apenas pela soma da matéria que conseguimos observar diretamente.

As estimativas indicam que a matéria “normal” representa apenas cerca de 16% da distribuição de matéria do Universo, enquanto os 84% restantes seriam matéria escura - cuja natureza ainda é desconhecida.

Entre os candidatos mais discutidos estão as partículas massivas de interação fraca, conhecidas pela sigla WIMPs. A ideia central é que, quando uma WIMP encontra a sua antipartícula, ocorre aniquilação: ambas se eliminam, produzindo uma cascata de partículas, incluindo fotões de raios gama que, em princípio, poderiam ser observados.

É aqui que o novo “rastro” (ou “migalha”) ganha importância: se houver um brilho de raios gama sem uma origem clara, uma possibilidade é que ele tenha sido produzido por aniquilação de matéria escura.

Centro galáctico versus halo: onde é mais difícil (e mais “limpo”) procurar

Várias buscas já tentaram encontrar esse tipo de assinatura, mas até agora os resultados permanecem inconclusivos.

Um alvo natural é o centro galáctico, onde se acredita que a densidade de matéria escura seja maior e, portanto, qualquer sinal também deveria ser mais intenso. De facto, já surgiram indícios de um excesso de raios gama nessa região.

O halo galáctico, por outro lado, foi relativamente menos explorado nesse contexto. Qualquer sinal ali tende a ser muito mais fraco do que no centro, o que torna a deteção inicial bem mais complicada.

Ainda assim, há uma vantagem: o halo não está repleto de fontes de raios gama como os púlsares de milissegundo que se pensa estarem espalhados pelo centro galáctico. Isso significa que um eventual sinal no halo pode ser menos contaminado e, portanto, mais fácil de interpretar - desde que seja possível medi-lo com robustez estatística.

Além disso, raios gama são a forma mais energética de radiação eletromagnética. Separar um brilho real do “ruído” e das contribuições de fundo exige modelagem cuidadosa de fontes e estruturas já conhecidas, porque pequenas incertezas podem criar falsos excessos ou esconder sinais fracos.

Como os 15 anos de dados do Fermi foram usados

Para contornar o problema da fraqueza do sinal, Totani recorreu a duas necessidades fundamentais, começando por um conjunto de dados excecional: 15 anos de observações do Fermi.

Como o halo é muito ténue, os raios gama chegam em menor quantidade. Para aplicar uma análise estatística capaz de revelar um excesso, é preciso reunir muitos fotões ao longo do tempo. Com mais dados, também melhora a relação sinal-ruído, aumentando a fiabilidade das conclusões.

O passo seguinte foi confrontar as medições com fontes já conhecidas de emissão no halo, incluindo as Bolhas de Fermi e fontes pontuais. Depois de contabilizar (subtrair) essas contribuições esperadas, a emissão remanescente foi reunida num mapa.

O mapa resultante revelou uma grande região aproximadamente esférica, semelhante a um halo, com emissão fraca de raios gama e um pico em torno de 20 GeV - dentro da faixa prevista para a aniquilação de WIMPs. Isso está longe de ser uma prova definitiva, mas é sugestivo o suficiente para justificar novas verificações.

O que significaria “ver” matéria escura - e por que a cautela é essencial

Totani argumenta que, se a interpretação estiver correta, o achado pode ser histórico:

“Se isto estiver correto, até onde sei, marcaria a primeira vez que a humanidade ‘viu’ matéria escura.”

“E, ao que tudo indica, a matéria escura seria uma nova partícula não incluída no atual Modelo Padrão da física de partículas. Isso representaria um grande avanço na astronomia e na física.”

Mesmo assim, o próprio cenário exige prudência. Será necessário um conjunto de verificações antes de qualquer conclusão firme, incluindo:

• Análises independentes do mesmo conjunto de dados para tentar reproduzir o resultado.
• Estudos para avaliar se outros processos astrofísicos podem gerar um brilho com energia e geometria semelhantes.
• Buscas do mesmo tipo de assinatura em outros ambientes, como galáxias anãs, procurando halos comparáveis.

Esse tipo de validação não acontece rapidamente: é um trabalho que tende a levar anos.

Vale lembrar ainda que as WIMPs são apenas uma entre várias hipóteses. Outras propostas para a matéria escura - como áxions e cenários com diferentes tipos de partículas - também motivam observações e experiências laboratoriais. Por isso, mesmo que o excesso em 20 GeV se confirme, ainda haverá um caminho longo até determinar a identidade da partícula e as suas propriedades.

Um passo interessante numa questão aberta há quase um século

Ainda assim, um excesso de raios gama com a energia e o formato esperados para aniquilação de matéria escura é um avanço relevante na direção de responder à pergunta que o astrónomo suíço Fritz Zwicky colocou há quase cem anos.

A pesquisa foi publicada na Revista de Cosmologia e Física de Astropartículas.