Uma interpretação inovadora de dados de raios-X de um aglomerado de galáxias pode ajudar os cientistas a realizar uma missão com décadas: determinar a natureza da matéria escura.
A descoberta envolve uma nova explicação para um conjunto de resultados obtidos com o Observatório de raios-X Chandra da NASA, com o XMM-Newton da ESA e com o Hitomi, um telescópio de raios-X japonês. Se confirmada com observações futuras, poderá representar um grande passo em frente na compreensão da natureza da substância misteriosa e invisível que constitui cerca de 85% da matéria no Universo.
“Espera-se que este resultado seja ou extremamente importante ou um fracasso total”, comenta Joseph Conlon da Universidade de Oxford, líder do novo estudo. “Acho que não há um ponto intermédio quando procuramos respostas para uma das maiores questões da Ciência”.
A história deste trabalho começou em 2014 quando uma equipa de astrónomos liderada por Esra Bulbul (Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica em Cambridge, no estado norte-americano de Massachusetts) encontrou um pico de intensidade numa energia muito específica em observações de gás quente no enxame galáctico de Perseu com o Chandra e com o XMM-Newton.
Este pico, ou linha de emissão, encontra-se a uma energia de 3,5 quilo eletrões-volt (keV). A intensidade da linha de emissão de 3,5 keV é muito difícil, se não impossível, de explicar em termos de características previamente observadas ou previstas de objetos astronómicos e, portanto, foi sugerida uma origem relacionada com a matéria escura. Bulbul e colegas também anunciaram a existência da linha de 3,5 keV num estudo de outros 73 aglomerados de galáxias usando o XMM-Newton.
O enredo desta história da matéria escura ficou mais complexo quando apenas uma semana após a equipa de Bulbul ter submetido o seu trabalho, um grupo diferente, liderado por Alexey Boyarksy da Universidade de Leiden, Holanda, relatou evidências de uma linha de emissão a 3,5 keV nas observações da galáxia M31 e dos arredores do enxame de Perseu com o XMM-Newton, confirmando o resultado de Bulbul et al.
No entanto, estes dois resultados eram controversos, pois outros astrónomos detetaram a mesma linha de 3,5 keV ao observar outros objetos, e outros não a conseguiram detetar.
O debate parecia estar resolvido em 2016 quando o Hitomi, especialmente construído para observar características detalhadas, como a emissão nos espectros de raios-X de fontes cósmicas, não conseguiu detetar a linha de 3,5 keV no enxame de Perseu.
“Poder-se-á pensar que quando o Hitomi não viu a linha de 3,5 keV, desistimos de seguir esta investigação”. afirma a coautora Francesca Day, também de Oxford. “Pelo contrário, é aqui que, como em qualquer outra boa história, ocorre um interessante ‘plot twist’.”
Conlon e os colegas notaram que o telescópio Hitomi tinha imagens muito mais desfocadas do que o Chandra, de modo que os seus dados do enxame de Perseu são na realidade uma mistura de sinais de raios-X de duas fontes: um componente difuso de gás quente que envolve a grande galáxia no centro do enxame e uma emissão de raios-X de perto do buraco negro supermassivo nessa galáxia.
A visão mais nítida do Chandra pode separar a contribuição das duas regiões. Debruçando-se nisso, Bulbul et al. isolaram o sinal de raios-X do gás quente removendo fontes pontuais da sua análise, incluindo raios-X do material perto do buraco negro supermassivo.
A fim de testar se essa diferença era importante, a equipa de Oxford analisou novamente os dados do Chandra próximos do buraco negro no centro do enxame de Perseu recolhidos em 2009.
Encontraram algo surpreendente: evidências de um déficit em vez de um excesso de raios-X a 3,5 keV. Isto sugere que algo em Perseu está a absorver raios-X nesta energia exata. Quando os investigadores simularam o espectro do Hitomi adicionando esta linha de absorção à linha de emissão do gás quente vista com o Chandra e com o XMM-Newton, não encontraram evidências no espectro somado para a absorção ou para a emissão de raios-X a 3,5 keV, consistente com as observações do Hitomi.
NASA/CXO/Fabian et al.
Composição do enxame galáctico de Perseu usando dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA, o XMM-Newton da ESA e Hitomi, um telescópio de raios-X japonês
O desafio é explicar este comportamento: detetar absorção de raios-X quando se observa o buraco negro e emissão de raios-X, à mesma energia, quando observando o gás quente a ângulos maiores longe do buraco negro.
De facto, tal comportamento é bem conhecido para os astrónomos que estudam estrelas e nuvens de gás com telescópios óticos. A luz de uma estrela rodeada por uma nuvem de gás geralmente mostra linhas de absorção produzidas quando a luz estelar de uma energia específica é absorvida pelos átomos na nuvem de gás.
A absorção empurra os átomos de um estado baixo de energia para um estado de alta energia. O átomo rapidamente volta ao estado de baixa energia com a emissão de luz de uma energia específica, mas a luz é reemitida em todas as direções, produzindo uma perda líquida de luz na energia específica – uma linha de absorção – no espectro observado da estrela. Em contraste, uma observação de uma nuvem na direção oposta à da estrela apenas detetaria a luz reemitida numa energia específica, que apareceria como uma linha de emissão.
A equipa de Oxford sugere, no seu artigo científico, que as partículas de matéria escura podem ser como átomos, tendo dois estados de energia separados por 3,5 keV. Se assim for, pode ser possível detetar uma linha de absorção a 3,5 keV quando observando a ângulos próximos da direção do buraco negro, e a linha de emissão quando observando o gás quente do enxame em grandes ângulos, longe do buraco negro.
“Esta não é uma imagem simples de pintar, mas é possível que tenhamos encontrado uma maneira de explicar os invulgares sinais de raios-X provenientes de Perseu e desvendar pistas sobre a natureza da matéria escura”, acrescenta o coautor Nicholas Jenning, também de Oxford.
Para escrever o próximo capítulo desta história, os astrónomos vão precisar de mais observações do enxame de Perseu e de outros como este.
Por exemplo, são necessários mais dados para confirmar a realidade do mergulho energético e para excluir uma possibilidade mais mundana, a saber, que temos uma combinação de um efeito instrumental inesperado e uma queda estatisticamente improvável em raios-X a uma energia de 3,5 keV. O Chandra, o XMM-Newton e as futuras missões de raios-X vão continuar a observar enxames galácticos para abordar o mistério da matéria escura.
O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 19 de dezembro da revista Physical Review D e também está disponível online.
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