Em nossa busca por sinais cósmicos de matéria escura, podemos ser comparados a bêbados procurando chaves perdidas sob postes de luz, onde a luz brilha mais forte. Aqui, os “postes de luz” são regiões do espaço repletas de galáxias e aglomerados de galáxias, que se acredita estarem embutidos em nuvens densas, ou “halos”, de matéria escura. E se, em vez disso, treinássemos nossa visão para vazios cósmicos – vastas extensões de espaço principalmente vazio? Em um novo estudo de pré-impressãoum trio de pesquisadores argumenta que, embora o sinal geral da matéria escura dessas partes do cosmos seja mais fraco, também seria menos contaminado por fontes astrofísicas e, portanto, poderia ser mais fácil de detectar.
“É uma ideia nova”, diz Nico Hamaus, cosmólogo da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, na Alemanha, que não fez parte do estudo. “E não é apenas a ideia. Também é feito backup com alguns cálculos [that] faz sentido.”
Acredita-se que a matéria escura componha mais de 80% do material do universo. Esta estimativa é baseada principalmente na influência gravitacional que esta misteriosa substância parece exercer sobre o gás, poeira, estrelas e galáxias que compõem a matéria normal. Por exemplo, as velocidades de rotação das galáxias são tais que, sem a gravidade da matéria escura para mantê-las unidas, elas teriam se desintegrado há muito tempo.
O melhor palpite coletivo dos físicos é que a matéria escura é feita das chamadas partículas massivas de interação fraca (WIMPs). Mas a evidência direta de WIMPs tem sido ilusória, apesar de décadas procurando por eles em aceleradores de partículas e detectores extremamente sensíveis enterrados no subsolo para minimizar sinais espúrios de raios cósmicos e outras fontes. Ainda assim, os WIMPs continuam sendo o candidato favorito para a matéria escura, diz o coautor do estudo Nicolao Fornengo, da Universidade de Torino, na Itália.
De acordo com quase todos os modelos baseados em WIMP, se essas partículas são, como esperado, pesadas – digamos, entre alguns giga-elétron-volts (GeV) a alguns tera-elétron-volts (TeV), onde um GeV é aproximadamente o massa de um próton – então eles deveriam eventualmente decair ou colidir um com o outro e se aniquilar, o que produziria raios gama em ambos os casos. “Se a matéria escura produz [gamma rays]o sinal deve estar lá”, diz Fornengo.
Os atuais observatórios de raios gama, especialmente a missão Fermi da NASA com seu telescópio de grande área (LAT), detectam um “fundo” difuso de raios gama em todo o céu. Este fundo é o excesso inexplicável que permanece uma vez que as contribuições de todas as fontes astrofísicas conhecidas, como pulsares e buracos negros supermassivos que absorvem matéria, são subtraídas. E não é distribuído uniformemente pelo céu – o que é consistente com o que os astrofísicos esperam da emissão de matéria escura e das fontes astrofísicas que são pequenas demais para serem resolvidas até mesmo com o melhor Fermi LAT da classe. Quando se trata de matéria escura, o brilho de raios gama de WIMPs em decomposição e aniquilação deve se correlacionar com a estrutura cósmica de grande escala, brilhando mais forte nas regiões repletas de matéria e mais fraco nos vazios. Os primeiros estudos indicam que essa correlação existe, mas até agora esses estudos evitaram principalmente os vazios e se concentraram nas regiões mais brilhantes cheias de galáxias e aglomerados.
Para ver se esse sinal pode ser extraído melhor de vazios do que de regiões superdensas, a equipe modelou como ele deve emanar de ambos os tipos de estruturas cósmicas. Seus resultados sugerem que, embora a emissão combinada de raios gama de matéria escura e matéria normal dentro de um vazio seja muito mais fraca do que a de uma região superdensa, essa fraqueza na verdade confere uma vantagem: a relativa falta de matéria normal garante menos fontes astrofísicas que de outra forma obscureceria a emissão de raios gama da matéria escura. “É uma troca entre ter um sinal mais forte, mas mais poluído para medir, versus um sinal mais fraco, mas mais limpo”, diz Fornengo. O estudo dele e de seus colegas foi submetido ao Revista de Cosmologia e Física de Astropartículas.
A equipe também descobriu – sem surpresa – que a maioria dos raios gama da matéria escura nesses vazios deve emergir através do decaimento das partículas em vez de sua aniquilação. Para que duas partículas se aniquilem, elas devem primeiro colidir, e as chances de WIMPs se encontrarem em vazios cósmicos são baixas. Mas as partículas devem decair independentemente da densidade de sua distribuição. “A decadência apenas sonda toda a massa dentro [a volume of] espaço”, diz Fornengo. “E a massa de um vazio não é um número pequeno. Ainda é um grande objeto. É apenas menos denso.”
Por causa de sua relação sinal-ruído superior e seu viés para detectar raios gama de partículas em decomposição, diz Hamaus, a técnica pode oferecer novos insights sobre as propriedades da matéria escura que seriam inacessíveis apenas por meio de estudos de raios gama de regiões superdensas. Por exemplo, quanto maior o tempo de vida médio de uma partícula de matéria escura, menos decaimento deve ocorrer em uma determinada região do espaço e do tempo. Embora um sinal tão fraco normalmente seja indetectável, esse não deve ser o caso em vazios. “Porque seu sinal de fundo [noise] é maior, você pode ir mais longe na exploração do espaço de parâmetros”, diz ele.
Anthony Pullen, astrofísico da Universidade de Nova York, que não é afiliado ao estudo, está cautelosamente otimista sobre os testes futuros de suas ideias centrais. Vários levantamentos em larga escala da estrutura cósmica estão programados para começar no final desta década em instalações de próxima geração, como o telescópio espacial Euclid da Agência Espacial Européia (ESA), o Telescópio Espacial Romano Nancy Grace da NASA e o Observatório Vera C. Rubin baseado em terra. “À medida que essas pesquisas estiverem online, você terá esses conjuntos de dados muito grandes. Quanto mais galáxias conseguirmos detectar, melhor seremos capazes de mapear onde estão os vazios”, diz Pullen. “E isso ajudaria nesse tipo de estudo. Nos próximos anos, você poderá ver algo assim demonstrado como uma prova de conceito.”
Hoje, tal prova de conceito teria que depender dos dados de raios gama coletados pelo Fermi LAT – o que não está à altura da tarefa, de acordo com Fornengo e seus colegas. Fazer detecções inequívocas, eles calculam, exigiria uma nova geração de instrumentos de raios gama com o dobro do volume do detector e cinco vezes a resolução angular (a capacidade de distinguir fontes no céu) do Fermi LAT. “Seria uma grande adição ter um ‘novo Fermi’”, diz Fornengo, embora reconheça que, por enquanto, tal detector só existe em seus sonhos. Isso não impediu a equipe de dar um apelido italiano apropriado, no entanto: Muito firme.
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