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Posts Tagged ‘matéria escura’

Fermi-LAT pode ter confirmado resultado do PAMELA

sexta-feira, 20 maio 2011; \20\UTC\UTC\k 20 1 comentário

Hoje a Physics World reportou que a colaboração Fermi-LAT fez uma divulgação preliminar durante um congresso de que eles podem ter confirmado o excesso de pósitrons nos raios cósmicos que atingem a Terra na região de 10 a 100 GeV observados pelo PAMELA. Esse resultado é do mais confuso, porque o Fermi-LAT não observa tal excesso para os elétrons.

 Espectro de pósitrons cósmicos do satélite PAMELA.

Espectro de pósitrons cósmicos obtido pelo satélite PAMELA. A linha sólida é o cálculo Moska & Strong. Não incluido o fluxo previsto por fontes pontuais temporárias.

Muitas pessoas irão falar que esse excesso pode ser explicado com processos astrofísicos comuns, mas isso tem que ser visto com muito ceticismo porque genericamente qualquer processo de aceleração clássico deveria gerar um espectro de potência que diminui com o aumento da energia dos pósitrons, como 1/En para n > 0. Porém, o PAMELA, e agora o Fermi-LAT, observam um crescimento do número de pósitrons de 10 a 100 GeV, o que contradiz intuitivamente a possibilidade do excesso vir de aceleramento astrofísico. Além disso, por que o processo astrofísico iria acelerar pósitrons nesta energia mas não os elétrons?

Estranha natureza da matéria escura

domingo, 25 abr 2010; \16\UTC\UTC\k 16 2 comentários


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,

 
P(E) \propto 1/E^\gamma

onde \gamma > 0 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:

 
S = \displaystyle{\frac{\pi \alpha_X / v_\text{rel}}{1 - \exp(-\pi \alpha_X/v_\text{rel})}}

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).

Demonstrado novo parâmetro cosmológico

quinta-feira, 11 mar 2010; \10\UTC\UTC\k 10 1 comentário

Em 2007, Pengjie Zhang e outros cosmólogos teóricos sugeriram que a observação da posição e velocidade das galáxias com o desvio da propagação da luz dessas galáxias até nós serviria de uma medida da distribuição de massa do universo. (arXiv:0704.1932). Até então, a técnica utilizada pelo projeto astronômico do telescópio Sloan Digital Sky Survey (SDSS) consistia em medir a distribuição de galáxias e o desvio para o vermelho da galáxia e extrapolar o resultado para a distribuição de massa assumindo que a matéria escura deve seguir aproximadamente a mesma distribuição espacial que os prótons e nêutrons (bárions). Isso não é exatamente verdade porque os bárions formam um gás que interage muito mais facilmente com os fótons da radiação cósmica de fundo do que a matéria escura, e como resultado, os bárions são mantidos a uma temperatura próxima da radiação de fundo antes da formação das estrelas. Esse gás quente de bárions tem pressão presumivelmente maior que a pressão da matéria escura. Em Relatividade Geral, nós podemos deduzir a relação entre a fração da massa de bárions que acompanha a matéria escura e pode-se dizer que o contraste de densidade de bárions é de 10% a 17% menor que o de matéria escura quando se inclui a pressão do gás. Mais importante é talvez o fato de que devido a pressão dos bárions, existem concentrações densas de matéria escura no universo onde não existem galáxias. Todas essas concentrações de matéria escura pura são perdidas na estimativa original do SDSS.

A idéia de Zhang foi de utilizar as velocidades das galáxias e suas posições e relacionar com a lente gravitacional observada. Combinando astutamente estes dois observáveis diferentes de galáxias, é possível eliminar o efeito da pressão dos bárions pelo menos para certas partes da distribuição espacial da matéria total do universo. O observável é sensível a taxa de crescimento de estruturas (quão rápido/forte é a formação das galáxias) que depende sensivelmente com a teoria da gravitação subjacenete, e dessa forma medindo-a é possível testar diferentes teorias da gravitação. No artigo de Zhang, eles mostraram que com a sensibilidade projetada do telescópio SKA, seria possível distinguir a Relatividade Geral de MOND, f(R) e uma teoria de dimensões espaciais extras (conhecida pela sigla de seus autores, DGP) — isso tudo são outros candidatos para teoria da gravitação.

Agora, uma estudante de pós-graduação de Princeton, Reinabelle Reyes, junto com vários outros astrofísicos e astrônomos, demonstrou que a técnica é eficiente (Nature 464, 256-258 (2010)) usando os dados do SDSS. Na realidade, este resultado não é um teste preciso da Relatividade Geral — embora é um teste independente –, e tampouco produziu algo de novo em termos de excluir teorias pois já era sabido de lentes gravitacionais que MOND sem matéria escura não é consistente com os dados (e.g., este post). As barras de erro ainda são muito grandes para poder discernir entre a Relatividade Geral e as alternativas, contudo o que vem como importante é a demonstração de que é possível medir o parâmetro diretamente com erros sob controle. O programa agora será diminuir as incertezas nos telescópios futuros, e quem sabe, projetar um telescópio otimizado para essa medida, que não é o caso do SDSS, de modo a permitir a exclusão ou confirmação mais definitiva de alternativas a Relatividade de Einstein.

Fermi-LAT põe nova restrição a decaimento de matéria escura

quarta-feira, 13 jan 2010; \02\UTC\UTC\k 02 1 comentário

Anteriormente no blog, eu falei sobre a excitação da possível descoberta de interação da matéria escura com elétrons. A idéia é que existe um modelo para o cálculo do espectro dos raios cósmicos na nossa galáxia que se ajusta bem aos dados para certos limites, mas está no momento sistematicamente abaixo do valor experimental para energias altas (maior que 100 GeV). Entre tais evidências do excesso experimental, figura uma medida precisa do número de elétrons cósmicos acima de 10 GeV pelo balão atmosférico ATIC em outubro de 2008 e radiação gama medida pelo satélite EGRET da NASA e antecessor do Fermi-LAT, e pelo satélite INTEGRAL da Agência Espacial Européia (ESA). Não muito tempo depois da descoberta do ATIC, o satélite Fermi da NASA publicou resultados sobre os elétrons cósmicos contradizendo o excesso alegado pelo ATIC.

Em 16 de dezembro do ano passado, em uma notícia que passou-me desapercebida, Fermi tornou pública novas medidas dos raios gama que contradizem o excesso observado pelo EGRET e que estão de acordo com o modelo de difusão de raios cósmicos. Se as medidas do Fermi-LAT estiverem corretas, o excesso (se é que há algum) de raios gama é muito menor do que o sugerido pelo experimento EGRET, desmotivando a introdução de novas interações da matéria escura com os léptons. Todavia, se isso for o caso, tampouco deve-se interpretar o resultado do satélite PAMELA (que mediu pósitrons sistematicamente acima do modelo de difusão) como indicativo de interação da matéria escura. Se o resultado do Fermi-LAT for vindicado, então ainda não foi desta vez que foi possível vasculhar parte da natureza do setor escuro do universo. Porém, eu quero deixar uma ressalva com respeito a publicação do Fermi-LAT: embora a colaboração conclui que há consistência da medida com o modelo, pode-se ver do gráfico (que eu reproduzo aqui abaixo), que as medidas são sistematicamente acima da previsão teórica. Isso pode não ser útil para identificar essas interações como sinal claro de matéria escura, mas é para entender mais detalhes da produção e propagação de raios cósmicos.


Resultado do espectro de raios gama da nossa galáxia medido pelo Fermi-LAT. Os pontos vermelhos no topo do gráfico são os dados, incertezas indicadas pela faixa vermelha. A região tracejada de preto é a previsão final do modelo teórico.

Fofoca do CDMS…

quinta-feira, 3 dez 2009; \49\UTC\UTC\k 49 11 comentários

Fofoca de Física é punk… 😎

Mas, anda correndo na boca miúda… que o CDMS está prestes a fazer um “anúncio público” no dia 18 de Dezembro (exatos 15 dias de hoje)! Inclusive, continua a fufuca, com direito a artigo publicado na Nature e tudo mais. 😈

Não dá pra contar a fonte, claro (senão, não seria fufuca 😉 ), … mas, dá pra dizer que a notícia veio desde o “alto escalão“, do “alto clero“, direto pros mortais…

😈

Fiquem ligados!

MOND talvez requer matéria escura

segunda-feira, 13 jul 2009; \29\UTC\UTC\k 29 1 comentário

Um dos últimos refúgios para uma alternativa a existência de matéria escura no universo é o modelo conhecido por MOND. Benkenstein formulou uma versão relativística, conhecida pela sigla TeVeS. Em dois artigos recentes, Mairi Sakellariadou et al. (arXiv:0901.3932 e arXiv:0907.1463) do King’s College de Londres encontram evidência de que o modelo TeVeS não suporta simultaneamente as lentes gravitacionais e as curvas de rotação de galáxia sem exigir um componente de matéria escura. Para isso, eles analisaram as lentes gravitacionais e as curvas de rotação de seis galáxias. Para explicar lentes gravitacionais, a teoria exige um conjunto de constantes diferente do que ela exige para as curvas de rotação. Até o melhor ajuste das lentes deduz automaticamente uma quantidade de massa superior a massa luminosa das galáxias. Ou seja, ainda se ignorarmos as curvas de rotação, as lentes gravitacionais impõe a existência de matéria escura no modelo TeVeS — inclusive aproximadamente na mesma quantidade da Relatividade Geral.

Obter a massa luminosa das galáxias é relativamente fácil. Uma estimativa é contar o número de estrelas e multiplicar pela massa do Sol. No trabalho em questão, os autores utilizaram um resultado de um grupo de astrônomos que é preciso e sofisticado: a massa total luminosa é extraída de uma simulação da estrutura galática combinada com as propriedades conhecidas dos tipos de estrelas luminosas pertencentes a estas regiões, usando medidas astronômicas de luminosidade por freqüência como entrada.

Mais: pequena explicação em português sobre lentes gravitacionais e colóquio no IF-USP de Martín Makler (CBPF).

Mistérios do Universo Escuro: a palestra Buhl de 2009…

sexta-feira, 12 jun 2009; \24\UTC\UTC\k 24 Deixe um comentário

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