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Pesquisadores procuram matéria escura perto de casa
Um novo estudo da Universidade de Michigan, e da Universidade da Califórnia, Berkeley descartou que a matéria escura seja responsável por misteriosos sinais eletromagnéticos anteriormente observados de galáxias próximas .
Por University of Michigan - 26/03/2020


A matéria escura em decomposição deve produzir um halo brilhante e esférico de emissão
de raios-X ao redor do centro da Via Láctea que pode ser detectado quando se olha
para regiões em branco da galáxia. Crédito: Renderização artística de Christopher
Dessert, Nicholas L. Rodd, Benjamin R. Safdi, Zosia Rostomian (Berkeley Lab), com
base em dados do Telescópio Fermi de Grande Área.

85% do universo é composto de matéria escura, mas não sabemos exatamente o que é.

Um novo estudo da Universidade de Michigan, do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia, Berkeley descartou que a matéria escura seja responsável por misteriosos sinais eletromagnéticos anteriormente observados de galáxias próximas . Antes deste trabalho, havia grandes esperanças de que esses sinais dariam aos físicos evidências concretas para ajudar a identificar a matéria escura.

A matéria escura não pode ser observada diretamente porque não absorve, reflete ou emite luz, mas os pesquisadores sabem que ela existe devido ao efeito que tem sobre outra matéria. Precisamos da matéria escura para explicar as forças gravitacionais que mantêm as galáxias unidas, por exemplo.

Os físicos sugeriram que a matéria escura é um primo intimamente relacionado do neutrino, chamado neutrino estéril . Os neutrinos - partículas subatômicas sem carga e que raramente interagem com a matéria - são liberados durante as reações nucleares que ocorrem no interior do sol. Eles têm uma pequena quantidade de massa, mas essa massa não é explicada pelo Modelo Padrão de Física de Partículas. Os físicos sugerem que o neutrino estéril, uma partícula hipotética, poderia explicar essa massa e também ser matéria escura.

Os pesquisadores devem ser capazes de detectar o neutrino estéril porque é instável, diz Ben Safdi, co-autor e professor assistente de física da UM. Decai em neutrinos comuns e radiação eletromagnética. Para detectar a matéria escura, os físicos examinam galáxias em busca dessa radiação eletromagnética na forma de emissão de raios-X.

Em 2014, um trabalho seminal descobriu excesso de emissão de raios X de galáxias próximas e aglomerados de galáxias. A emissão parece ser consistente com a que surgiria da decomposição da matéria escura estéril de neutrinos, disse Safdi.

Agora, uma metanálise de dados brutos obtidos pelo telescópio espacial de raios-X XMM-Newton de objetos na Via Láctea durante um período de 20 anos não encontrou evidências de que o neutrino estéril seja o que compreende a matéria escura. A equipe de pesquisa inclui o aluno de doutorado da UM Christopher Dessert e Nicholas Rodd, físico do grupo de teoria do Berkley Lab e do Berkley Center for Theoretical Physics. Seus resultados são publicados na revista Science .
 
"Este trabalho de 2014 e acompanhamento confirmaram que o sinal gerou um interesse significativo nas comunidades de astrofísica e física de partículas devido à possibilidade de saber, pela primeira vez, exatamente o que é a matéria escura em nível microscópico", disse Safdi. . "Nossa descoberta não significa que a matéria escura não seja um neutrino estéril, mas significa que - ao contrário do que foi afirmado em 2014 - não há evidências experimentais até o momento que apontem para sua existência".

Os telescópios de raios X baseados no espaço, como o telescópio XMM-Newton, apontam para ambientes ricos em matéria escura para procurar essa fraca radiação eletromagnética na forma de sinais de raios-X. A descoberta de 2014 denominou a emissão de raios-X de "linha de 3,5 keV" --keV significa quilo-elétron-volts - por causa de onde o sinal apareceu nos detectores de raios-X.

A equipe de pesquisa pesquisou essa linha em nossa própria Via Láctea usando 20 anos de dados de arquivo obtidos pelo telescópio espacial de raios-X XMM-Newton. Os físicos sabem que a matéria escura se acumula em torno das galáxias, portanto, quando análises anteriores analisaram galáxias próximas e aglomerados de galáxias, cada uma dessas imagens teria capturado alguma coluna do halo da matéria escura da Via Láctea.

A equipe usou essas imagens para observar a parte "mais sombria" da Via Láctea. Isso melhorou significativamente a sensibilidade de análises anteriores à procura de matéria escura estéril de neutrinos, disse Safdi.

"Para onde quer que olhemos, deve haver algum fluxo de matéria escura da auréola da Via Láctea", disse Rodd, do Laboratório de Berkeley, devido à localização do nosso sistema solar na galáxia. "Exploramos o fato de que vivemos em um halo de matéria escura" no estudo.

Christopher Dessert, co-autor do estudo, pesquisador de física e doutorado. estudante da UM, os aglomerados de galáxias onde a linha de 3,5 keV foi observada também têm grandes sinais de fundo, que servem como ruído nas observações e podem dificultar a identificação de sinais específicos que podem estar associados à matéria escura.

"A razão pela qual estamos olhando através do halo de matéria escura galáctica da nossa Via Láctea é que o fundo é muito menor", disse Dessert.

Por exemplo, o XMM-Newton capturou imagens de objetos isolados, como estrelas individuais, na Via Láctea. Os pesquisadores capturaram essas imagens e mascararam os objetos de interesse original, deixando ambientes escuros e puros para procurar o brilho da decomposição da matéria escura. A combinação de 20 anos de tais observações permitiu uma sonda de matéria escura de neutrino estéril a níveis sem precedentes.

Se os neutrinos estéreis eram matéria escura, e se o seu decaimento levasse a uma emissão da linha de 3,5 keV, Safdi e seus colegas pesquisadores deveriam ter observado essa linha em suas análises. Mas eles não encontraram evidências de matéria escura estéril de neutrinos.

"Embora este trabalho, infelizmente, jogue água fria no que parecia ser a primeira evidência da natureza microscópica da matéria escura, ele abre uma nova abordagem para procurar matéria escura que poderia levar a uma descoberta em futuro próximo ", disse Safdi.

 

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