Se as partículas de matéria escura decaírem, os cientistas poderão procurar sinais deste processo, incluindo radiação de raios X ou raios gama ou mesmo neutrinos de “partículas fantasmas” emitidos, em vastos aglomerados de galáxias.
Isto não só poderia finalmente revelar quais partículas compõem misteriosas matéria escuramas também poderia ajudar os astrônomos a compreender a estrutura do universo como nunca antes. E uma nova pesquisa sugere que a missão de imagem de raios X e espectroscopia da NASA (XRISMO) poderia desempenhar um papel importante nesta caçada.
A matéria escura representa um desafio significativo para os cientistas porque, apesar de representar cerca de 85% da matéria do cosmos, permanece efetivamente invisível. Isso ocorre porque ele não interage com a radiação eletromagnética ou com a luz – ou, se o faz, a interação é muito fraca para ser detectada. Isto levou os cientistas a sugerir uma série de partículas hipotéticas para explicar a matéria escura, que vai além do modelo padrão da física de partículas e dos elétrons, prótons e nêutrons que constituem os átomos que compõem toda a matéria cotidiana, como estrelas, planetas, luas e nossos corpos.
Um modelo específico de matéria escura sugere que quaisquer que sejam as partículas que compõem esta substância misteriosa, elas passam por um processo chamado decaimento. Isto envolve partículas grandes que se decompõem em vastas escalas de tempo em partículas mais leves, liberando energia na forma de fótons, as partículas de luz. Uma possível assinatura deste processo que os astrónomos poderiam procurar são os fotões de raios X libertados quando ocorre o decaimento. Na verdade, os cientistas podem já ter detectado esta impressão digital cósmica na forma de uma emissão de raios X não identificada no espectro de luz dos aglomerados de galáxias.
“Oitenta e cinco por cento da massa em aglomerados de galáxias vem da matéria escura, e podemos modelar bem a distribuição radial da matéria escura”, disse Ming Sun, membro da equipe de estudo, da Universidade do Alabama em Huntsville (UAH). disse em um comunicado. “Assim, os aglomerados de galáxias são ótimos alvos para essa busca, pois são ricos em matéria escura e conhecemos bem a massa de matéria escura nos aglomerados.”
No passado, os pesquisadores confiaram em chips semicondutores sensíveis à luz, chamados dispositivos de carga acoplada (CCDs), para rastrear os caminhos de possíveis partículas de decaimento para entender melhor o que está causando essa emissão de raios-X. No entanto, Sun e colegas adotaram uma abordagem diferente, recorrendo aos dados do XRISM.
“Quase todos os estudos anteriores usaram dados CCD, que não possuem a resolução de energia necessária para resolver a linha não identificada”, disse Sun. “Agora o XRISM fornece espectros de alta resolução de energia que podem resolver a linha. Como os sinais da linha são muito fracos, combinamos quase três meses de dados do XRISM para tal pesquisa. Muitas linhas de raios X foram detectadas. Elas se originam de átomos conhecidos, como ferro, silício, enxofre e níquel. As linhas de emissão de raios X que parecem não estar na posição conhecida das linhas atômicas são então as candidatas às linhas de decaimento da matéria escura, que é o foco deste trabalho. “
A equipe teoriza que os principais suspeitos dessa emissão desconhecida são os “neutrinos estéreis”. Neutrinos são partículas virtualmente sem massa que fluem através do cosmos quase no velocidade da luz. A segunda partícula mais abundante em o universo depois dos fótons, os neutrinos são tão “fantasmas” que 100 trilhões passam pelo seu corpo a cada segundo, e você nunca percebe nada. Os neutrinos estéreis são uma das partículas hipotéticas propostas para explicar a matéria escura.
“Um neutrino estéril é um tipo hipotético de neutrino que só interage com outras partículas através da gravidade, ao contrário dos três neutrinos ‘ativos’ conhecidos que também interagem através da força fraca”, disse Sun. “A existência do neutrino estéril é teoricamente bem motivada e pode explicar a massa muito pequena, mas diferente de zero, dos neutrinos regulares. Os neutrinos estéreis podem decair em dois fótons com a mesma energia. Os modelos podem prever a taxa de decaimento dos neutrinos estéreis, que é então restringida a partir dos dados.”
Os neutrinos estéreis ainda têm um longo caminho a percorrer antes de substituir as partículas massivas de interação fraca (WIMPs) como os principais suspeitos de matéria escura, mas Sun e colegas estão empenhados em explorar outros possíveis candidatos, incluindo neutrinos estéreis, mesmo que esse processo inclua a sua exclusão.
“Os WIMPs ainda são os principais candidatos para a matéria escura, mas bilhões de dólares em experimentos foram feitos, apenas obtendo limites superiores cada vez mais fortes, então cenários alternativos devem ser considerados. Este estudo fornece os limites mais fortes de dados de alta resolução de energia sobre o neutrino estéril na banda de 5 a 30 quiloelétron-volts (keV), limitando subsequentemente os modelos para a matéria escura”, concluiu o pesquisador da UAH. “Com mais dados XRISM nos próximos cinco a 10 anos, seremos capazes de detectar a linha ou melhorar substancialmente o limite.”
A pesquisa da equipe foi publicada em novembro em As cartas do jornal astrofísico.
