Estranha natureza da matéria escura

Fotografia em raios X da galáxia NGC 720 do telescópio Chandra da NASA (lado esquerdo) revelaram a estrutura de matéria escura da galáxia (foto óptica ao lado direito), que agora desfavorece a existência de interações da matéria escura causadas por um bóson escuro leve.

Quem acompanha o blog viu que no final de 2008, o satélite europeu Pamela apresentou qual o número de prótons e pósitrons que bombardeiam a Terra vindo da galáxia e descobriu que para energias acima de aproximadamente 10 GeV, o número de pósitrons começa a aumentar, enquanto o número de prótons continua a diminuir^[1].

Como um pósitron consegue chegar a 10 GeV de energia, que corresponde a uma temperatura de 10¹⁴ K, quando a temperatura no núcleo do Sol é de apenas 10⁷ K? De onde veio essa energia do próton?

Em 1949, Enrico Fermi mostrou que esse tipo de energia para raios cósmicos é natural^[2]. Existem prótons e elétrons espalhados pela galáxia, que vieram de processos astrofísicos, largados aqui e ali por estrelas e supernovas. Eventualmente eles encontram o campo magnético que existe na galáxia e ficam presos, mas esse campo possui inomogeneidades, gradientes, e a partícula quando encontra um pico de intensidade do campo magnético recebe uma força maior que a média que a mantém presa no campo e acaba sendo liberada com uma energia maior. Quanto mais energética é a partícula, mais difícil é desviá-la do seu caminho, então podemos em primeira aproximação imaginar que os acréscimos são inversamente proporcionais a energia que a partícula já possuia antes de receber o pontapé do campo magnético. Então a probabilidade de observar uma partícula com energia E na Terra deve ser inversamente proporcional a sua energia,

 


onde é um fator a ser determinado experimentalmente. Esse mecanismo de Fermi não poderia explicar o súbito crescimento do número de partículas com energias acima de 10 GeV observados no Pamela e no ATIC, e por isso o crescimento foi interpretado como um sinal de nova física.

Mas se esse excesso fosse devido a aniquilação de matéria escura na galáxia produzindo pósitrons, então a probabilidade de aniquilação de matéria escura teria que ser muito maior que o valor esperado no cenário de WIMPs. Por isso, Neil Weiner e colaboradores sugeriram que deveria existir uma nova partícula leve que só interage com a matéria escura, porque tal interação introduziria um fator de aumento na probabilidade de aniquilação da matéria escura que depende da velocidade do gás de matéria escura:

 


Infelizmente, este mês relata Jonathan Feng e colaboradores na Phys. Rev. Lett. que essa interação já está excluída devido ao formato das galáxias^[3]. Motivados por estudos numéricos do formato dos halos de matéria escura quando se inclui interações^[4], eles argumentam que a introdução de interação favorece a formação de halos mais esféricos do que aqueles que seriam formados desprezando interações, e então usam os dados sobre a elipsidade do halo da galáxia NGC 720 que foi estudado com as imagens de raios X do telescópio Chandra^[5] e comparam com as simulações numéricas em função da intensidade da interação da matéria escura para restringir a seção de choque. O principal resultado deles é o gráfico da Fig. 1, que mostra que o valor do aumento da seção de choque S compatível com os dados do satélite Pamela não é compatível com o valor limite de S permitido pelo formato do halo de matéria escura de NGC 720.

Fig. 1, gráfico de S versus massa da partícula de matéria escura, da ref. 2. A região verde indica a parte favorecida pelos dados do Fermi, a vermelha pelos dados do Pamela. A linha tracejada indica o limite em S extraído da forma da galáxia NGC 720, e a linha azul da abundância de matéria escura. A discrepância se dá no fato que para produzir as regiões verde e vermelho, é necessário que a partícula intermediadora da aniquilação de matéria escura tenha massa 250 MeV, que já está excluído nesta região que requer uma massa de, no máximo, 30 MeV.

Esse resultado é consistente com a interpretação de que não há nenhum excesso no espectro de raios cósmicos, como os novos dados do satélite Fermi sugerem.

Referências

1. Velhas e novas evidências da matéria escura
2. E. Fermi, Phys. Rev. 75, 1169–1174 (1949).
3. J. L. Feng, M. Kaplinghat, H.-B. Yu, Phys. Rev. Lett. 104, 151301 (2010).
4. Romeel Davé et al. ApJ 547 574 (2001).
5. David A. Buote et al ApJ 577 183 (2002).