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

A luminosidade invulgar e nunca antes observada no halo galáctico da nossa galáxia pode ser, até agora, o indício mais forte de matéria escura.

Um brilho de raios gama inesperado no halo galáctico da Via Láctea

Uma reanálise baseada em 15 anos de observações do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi identificou um brilho de raios gama com energias anormalmente elevadas que não se explica de forma simples por fontes já conhecidas.

Segundo o astrónomo Tomonori Totani, da Universidade de Tóquio (Japão), esse sinal pode corresponder à radiação gerada quando partículas hipotéticas de matéria escura colidem entre si e se aniquilam.

Não é a primeira vez que se procura uma assinatura deste género; porém, será a primeira vez que surge um excesso com um máximo tão claro a este nível energético no halo galáctico - a vasta bolha de gás e radiação que envolve a Via Láctea.

“Detetámos raios gama com uma energia por fotão de 20 gigaelectrões-volt (ou 20 mil milhões de electrões-volt, uma quantidade extremamente elevada de energia) que se estendem numa estrutura semelhante a um halo em direção ao centro da galáxia Via Láctea”, explica Totani.
“A componente de emissão de raios gama corresponde de perto à forma esperada para o halo de matéria escura.”

Porque é que a matéria escura continua a ser um enigma

A matéria escura permanece como um dos mistérios mais persistentes do Universo. A sua presença é inferida através de um “excesso” de gravidade que não pode ser atribuído apenas à soma de toda a 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 restantes 84% corresponderão a matéria escura, cuja natureza continua desconhecida.

WIMPs e aniquilação: a assinatura esperada em raios gama

Entre os candidatos mais discutidos para explicar a matéria escura estão as partículas massivas de interação fraca, conhecidas pela sigla WIMPs. De acordo com a teoria atual, quando uma WIMP e a sua antipartícula se encontram, podem aniquilar-se mutuamente, gerando uma cascata de partículas - incluindo fotões de raios gama potencialmente observáveis.

É aqui que este novo indício ganha relevância: se for possível isolar um brilho de raios gama sem uma fonte astrofísica evidente, torna-se plausível que esse brilho seja consequência da aniquilação de matéria escura.

Ainda assim, apesar de várias campanhas de pesquisa com este objetivo, os resultados obtidos até agora não têm sido conclusivos.

Centro galáctico vs. halo galáctico: onde procurar o sinal

O centro galáctico tem sido um alvo óbvio, porque se acredita que aí a densidade de matéria escura seja particularmente elevada e, por isso, o sinal esperado também mais intenso. De facto, já foram reportadas pistas de um excesso de raios gama nessa região.

O halo galáctico, pelo contrário, tem sido relativamente menos explorado. Qualquer sinal de aniquilação de matéria escura no halo deverá ser muito mais fraco do que no centro, o que torna a deteção inicial bastante mais difícil.

Em contrapartida, o halo não está repleto de fontes de raios gama como os pulsares de milissegundos, que se pensa estarem disseminados pelo centro da galáxia. Isso significa que, caso exista um sinal real no halo, ele poderá surgir com menos “contaminação” de fundo e ser mais limpo de interpretar.

Como os 15 anos do Fermi ajudaram a ultrapassar o problema do sinal fraco

Para lidar com a extrema ténueza do halo, Totani recorreu a um ingrediente essencial: um conjunto de dados excecionalmente extenso, recolhido ao longo de 15 anos pelo Telescópio de Grande Área do Fermi.

Como o halo é tão pouco luminoso, os eventos de raios gama são raros. Para uma análise estatística capaz de revelar um excesso fiável, é necessário acumular um número elevado de fotões. Além disso, um conjunto de dados maior tende a melhorar a relação sinal–ruído, tornando as conclusões mais robustas.

Totani comparou as observações com fontes conhecidas de emissão de raios gama no halo galáctico, incluindo as bolhas de Fermi e diversas fontes pontuais. Em seguida, reuniu num mapa aquilo que restava após contabilizar todas essas contribuições conhecidas.

O que mostrou o mapa: um halo esférico com pico a 20 GeV

O mapa final revelou uma região ampla, aproximadamente esférica e semelhante a um halo, composta por emissão ténue de raios gama com um pico em torno de 20 gigaelectrões-volt - um valor que se situa dentro do intervalo previsto para a aniquilação de WIMPs.

Isto está longe de ser uma prova definitiva, mas é suficientemente intrigante para justificar investigações adicionais.

“Se isto estiver correto, tanto quanto sei, seria a primeira vez que a humanidade ‘viu’ matéria escura”, afirma Totani. “E conclui-se que a matéria escura é uma nova partícula não incluída no atual modelo padrão da física de partículas. Isto representa um avanço importante em astronomia e física.”

O que falta confirmar - e por que poderá demorar anos

Apesar do entusiasmo, ainda é preciso muito trabalho para validar a interpretação. Entre os próximos passos estão análises independentes do mesmo conjunto de dados para tentar reproduzir o resultado, estudos destinados a avaliar se outros processos astrofísicos podem gerar um brilho semelhante, e pesquisas em ambientes diferentes - como galáxias anãs - à procura de halos equivalentes.

Todo este processo exigirá tempo e, muito provavelmente, anos.

Vale também lembrar que a deteção de raios gama é apenas uma peça do puzzle: para confirmar a hipótese de matéria escura, é crucial excluir de forma convincente explicações alternativas, como populações não resolvidas de fontes fracas ou incertezas na modelação do fundo difuso. A forma do sinal (a geometria “em halo”) e a energia do pico ajudam, mas não resolvem por si só todas as ambiguidades.

Em paralelo, observações futuras com instrumentos complementares - incluindo observatórios terrestres dedicados a energias muito elevadas e missões espaciais com melhor sensibilidade - poderão refinar os mapas do céu em raios gama, reduzir incertezas e testar se este tipo de excesso aparece de forma consistente noutros sistemas dominados por matéria escura.

Um passo relevante numa pergunta com quase um século

Ainda assim, um excesso de raios gama com a energia e a morfologia previstas para a aniquilação de matéria escura representa um avanço interessante na busca por uma resposta à questão colocada pelo astrónomo suíço Fritz Zwicky há quase um século.

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