Investigadores procuram matéria escura “perto de casa”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

O decaimento da matéria escura deveria produzir um halo brilhante e esférico de emissão de raios-X em torno do centro da Via Láctea que podia ser detectável quando olhando em regiões de outra forma vazias da Galáxia.
Crédito: Christopher Dessert, Nicholas L. Rodd, Benjamin R. Safdi, Zosia Rostomian (Laboratório Berkeley), com base em dados do LAT (Fermi Large Area Telescope)

Oitenta e cinco porcento do Universo é composto de matéria escura, mas não sabemos exactamente o que é.

Um novo estudo da Universidade de Michigan, do Laboratório Nacional Lawrence em Berkeley e da Universidade da Califórnia, Berkeley, descartou que a matéria escura seja responsável por misteriosos sinais electromagnéticos anteriormente observados de galáxias próximas. Antes deste trabalho, havia grandes esperanças de que estes sinais dessem aos físicos evidências concretas para ajudar a identificar a matéria escura.

A matéria escura não pode ser observada directamente porque não absorve, reflete ou emite luz, mas os investigadores sabem que 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 subatómicas que raramente interagem com a matéria – são libertados durante reacções nucleares que ocorrem no interior do Sol. Têm uma massa minúscula, mas esta massa não é explicada pelo Modelo Padrão da Física de Partículas. Os físicos sugerem que o neutrino estéril, uma partícula hipotética, podia explicar esta massa e também ser matéria escura.

Os investigadores devem ser capazes de detectar o neutrino estéril porque é instável, diz Ben Safdi, co-autor e professor assistente de física na Universidade de Michigan. Decai para neutrinos comuns e radiação electromagnética. Então, para detectar a matéria escura, os físicos examinam galáxias em busca desta radiação electromagnética na forma de emissão de raios-X.

Em 2014, um trabalho seminal descobriu um excesso de emissão de raios-X de galáxias e enxames de galáxias próximas. A emissão parecia ser consistente com a que surgiria do decaimento de neutrinos estéreis de matéria escura, disse Safdi.

Agora, uma metanálise de dados brutos obtidos pelo telescópio espacial XMM-Newton, de objectos na Via Láctea ao longo de um período de 20 anos, não encontrou evidências de que o neutrino estéril seja o que perfaz a matéria escura. A equipa de investigação inclui o estudante de doutoramento Christopher Dessert da Universidade de Michigan, Nicholas Rodd, físico do grupo teórico do Laboratório Berkeley e do Centro de Física Teórica de Berkeley. Os seus resultados foram publicados na revista Science.

“Este artigo de 2014 e os trabalhos de acompanhamento confirmaram que o sinal gerou um interesse significativo nas comunidades de astrofísica e de física de partículas devido à possibilidade de saber, pela primeira vez, exactamente o que é a matéria escura a nível microscópico,” disse Safdi. “A 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 existem evidências experimentais, até à data, que apontem para a sua existência.”

Os telescópios espaciais de raios-X, como o telescópio XMM-Newton, apontam para ambientes ricos em matéria escura para procurar esta fraca radiação electromagnética 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-eletrão-volt – porque era aí que o sinal aparecia nos detectores de raios-X.

A equipa de investigação procurou esta linha na 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, de modo que quando análises anteriores examinaram galáxias vizinhas e enxames de galáxias, cada uma dessas imagens teria capturado alguma coluna do halo de matéria escura da Via Láctea.

A equipa usou essas imagens para observar a parte “mais escura” da Via Láctea. Isto melhorou significativamente a sensibilidade de análises anteriores que procuravam o neutrino estéril de matéria escura, disse Safdi.

“Para onde quer que olhemos, deve haver algum fluxo de matéria escura do halo da Via Láctea,” disse Rodd, devido à localização do nosso Sistema Solar na Galáxia. “Nós explorámos o facto de que vivemos num halo de matéria escura” no estudo.

Christopher Dessert, co-autor do estudo, físico e estudante de doutoramento na Universidade de Michigan, disse que os enxames galácticos 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 com a matéria escura.

“A razão pela qual estamos a olhar através do halo de matéria escura da nossa Via Láctea é que o fundo é muito menor,” explicou Dessert.

Por exemplo, o XMM-Newton capturou imagens de objectos isolados, como estrelas individuais, na Via Láctea. Os investigadores obtiveram estas imagens e mascararam os objectos de interesse original, deixando ambientes pristinos e escuros onde procurar o brilho do decaimento da matéria escura. A combinação de 20 anos de tais observações permitiu sondar o neutrino estéril da matéria escura a níveis sem precedentes.

Caso os neutrinos estéreis fossem matéria escura, e caso o seu decaimento levasse a uma emissão na linha de 3,5 keV, Safdi e os seus colegas deveriam ter observado essa linha na sua análise. Mas não encontraram evidências de neutrinos estéreis de matéria escura.

“Embora este trabalho, infelizmente, atire um balde de água fria no que parecia ser a primeira evidência da natureza microscópica da matéria escura, abre uma abordagem totalmente nova para procurar matéria escura que poderá levar a uma descoberta no futuro próximo,” concluiu Safdi.

Astronomia On-line
31 de Março de 2020

 

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3527: ALMA observa gás impactado por jactos jovens de buraco negro super-massivo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Imagem reconstruida do aspecto de MG J0414+0534 caso os efeitos de lente gravitacional fossem “desligados”. As emissões da poeira e do gás ionizado em torno de um quasar podem ser vistas a vermelho. As emissões do gás monóxido de carbono são vistas a verde, que têm uma estrutura bipolar ao longo dos jatos.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue et al.

Usando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os astrónomos obtiveram a primeira imagem de nuvens perturbadas de gás numa galáxia a 11 mil milhões de anos-luz de distância. A equipa descobriu que a perturbação é provocada por jactos jovens e poderosos libertados por um buraco negro super-massivo que reside no centro da galáxia hospedeira. Este resultado lançará luz sobre o mistério do processo evolutivo das galáxias no início do Universo.

É sabido que os buracos negros exercem uma forte atracção gravitacional na matéria circundante. No entanto, é menos conhecido que alguns buracos negros têm fluxos velozes de matéria ionizada, chamados jactos. Em algumas galáxias próximas, os jactos desenvolvidos expelem nuvens galácticas de gás, resultando na supressão de formação estelar. Portanto, para entender a evolução das galáxias, é crucial observar a interacção entre jactos de buracos negros e nuvens gasosas ao longo da história cósmica. No entanto, tem sido difícil obter evidências claras desta interacção, especialmente no início do Universo.

Para obter evidências tão claras, a equipa usou o ALMA para observar um objecto interessante conhecido como MG J0414+0534. Uma característica distintiva de MG J0414+0534 é que os caminhos que a sua luz percorre até à Terra são significativamente distorcidos pela gravidade de outra galáxia “lente” entre MG J0414+0534 e nós, provocando uma ampliação significativa.

“Esta distorção funciona como um ‘telescópio natural’ para permitir uma visão detalhada de objectos distantes,” diz Takeo Minezaki, professor da Universidade de Tóquio.

Outra característica é que MG J0414+0534 possui um buraco negro super-massivo com jactos bipolares no centro da galáxia hospedeira. A equipa conseguiu reconstruir a imagem “verdadeira” das nuvens gasosas, bem como dos jactos de MG J0414+0534, contabilidade cuidadosamente os efeitos gravitacionais exercidos pela galáxia “lente” interveniente.

“Combinando este telescópio cósmico e as observações de alta resolução do ALMA, obtivemos uma visão excepcionalmente nítida, que é 9000 vezes melhor do que a visão humana,” acrescenta Kouichiro Nakanishi, professor associado do projecto no NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan)/SOKENDAI. “Com esta resolução extremamente alta, conseguimos obter a distribuição e o movimento nuvens gasosas em torno de jactos expelidos por um buraco negro super-massivo.”

Graças a uma resolução tão superior, a equipa descobriu que nuvens gasosas ao longo dos jactos têm movimentos violentos com velocidades de até 600 km/s, mostrando evidências claras de gás impactado. Além disso, descobriu-se que o tamanho das nuvens gasosas impactadas e dos jactos é muito menor do que o tamanho típico de uma galáxia com esta idade.

“Talvez estejamos a testemunhar a fase inicial da evolução dos jactos na galáxia,” diz Satoki Matsushita, investigador do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica. “Pode ser tão cedo quanto algumas dezenas de milhares de anos após o lançamento dos jactos.”

“MG J0414+0534 é um exemplo excelente devido à jovem idade dos jatos,” sumariz Kaiki Inoue, professor na Universidade Kindai, Japão, e autor principal do artigo científico publicado na revista The Astrophysical Journal Letters. “Encontrámos evidências reveladoras da interacção significativa entre jatos e nuvens gasosas, mesmo na fase evolutiva inicial dos jactos. Acho que a nossa descoberta abrirá o caminho para uma melhor compreensão do processo evolutivo das galáxias no início do Universo.”

Astronomia On-line
31 de Março de 2020

 

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3526: Revisitando dados antigos da Voyager 2, os cientistas descobrem mais um segredo

CIÊNCIA/ESTRONOMIA

A Voyager 2 obteve esta imagem à medida que se aproximava de Úrano no dia 14 de Janeiro de 1986. O tom azulado do planeta é devido ao metano na sua atmosfera, que absorve comprimentos de onda vermelhos da luz.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

Oito anos e meio depois do início da sua grande “tournée” pelo Sistema Solar, a sonda Voyager 2 encontrava-se pronta para outro encontro. Estávamos no dia 24 de Janeiro de 1986 e ia deparar-se em breve com o misterioso sétimo planeta, Úrano, frio como o gelo.

Nas horas seguintes, a Voyager 2 passou a 81.433 km do topo das nuvens de Úrano, recolhendo dados que revelaram dois novos anéis, 11 novas luas e temperaturas abaixo dos -214º C. Estes dados ainda permanecem como as únicas medições obtidas de perto do planeta.

Três décadas depois, os cientistas que reinspeccionam esses dados encontraram mais um segredo.

Sem o conhecimento de toda a comunidade da física espacial, há 34 anos a Voyager 2 passou através de um plasmoide, uma bolha magnética gigante que pode estar a levar a atmosfera de Úrano para o espaço. A descoberta, relatada na revista Geophysical Research Letters, levanta novas questões sobre o ambiente magnético único do planeta.

Um “estranho” magnético e oscilante

As atmosferas planetárias por todo o Sistema Solar estão a vazar para o espaço. O hidrogénio “brota” de Vénus para se juntar ao vento solar, o fluxo contínuo de partículas que escapam do Sol. Júpiter e Saturno ejectam bolhas do seu “ar” electricamente carregado. Até a atmosfera da Terra escapa para o espaço (não se preocupe, continuará a existir por outros mil milhões de anos ou mais).

Os efeitos são minúsculos nas escalas de tempo humanas, mas, dado tempo suficiente, a fuga atmosférica pode fundamentalmente alterar o destino de um planeta. Para um caso em específico, basta olhar para Marte.

“Marte costumava ser um planeta húmido com uma atmosfera espessa,” disse Gina DiBraccio, física espacial do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA e cientista do projecto MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution). “Evoluiu com o tempo” – 4 mil milhões de anos de fuga atmosférica para o espaço – “para se tornar no planeta seco que vemos hoje.”

A fuga atmosférica é impulsionada pelo campo magnético de um planeta, que pode ajudar e dificultar o processo. Os cientistas pensam que os campos magnéticos podem proteger um planeta, afastando as tempestades do vento solar, destruidor de atmosferas. Mas também podem criar oportunidades de escape, como as bolhas gigantes libertadas por Saturno e por Júpiter quando as linhas do campo magnético se emaranham. De qualquer maneira, para entender como as atmosferas mudam, os cientistas têm que prestar muita atenção ao magnetismo.

Esta é mais uma razão pela qual Úrano é um mistério. O “flyby” da Voyager em 1986 revelou o quão magneticamente estranho o planeta é.

“A estrutura, o modo como se move…,” disse Di Braccio, “Úrano é realmente único.”

Ao contrário de qualquer outro planeta no nosso Sistema Solar, Úrano gira quase perfeitamente de lado – como um leitão no espeto – completando uma volta a cada 17 horas. Os pontos do eixo magnético apontam 60º para longe desse eixo de rotação, de modo que à medida o planeta gira, a sua magnetosfera – o espaço esculpido pelo seu campo magnético – oscila como uma bola de râguebi mal atirada. Os cientistas ainda não sabem como o modelar.

Esta excentricidade atraiu DiBraccio e o seu co-autor Dan Gershman, físico espacial de Goddard, ao projecto. Ambos faziam parte de uma equipa que elaborava planos para uma nova missão aos “gigantes gasosos” Úrano e Neptuno, e estavam à procura de mistérios para resolver. O estranho campo magnético de Úrano, medido pela última vez há mais de 30 anos, parecia um bom lugar para começar.

Assim sendo, fizeram download das leituras do magnetómetro da Voyager 2, que monitorizou a força e a direcção dos campos magnéticos perto de Úrano à medida que a nave espacial por lá passava. Sem ideia do que podiam encontrar, debruçaram-se com mais atenção do que estudos anteriores, traçando um novo ponto de dados a cada 1,92 segundos. As linhas suaves deram lugar a picos e quedas irregulares. E foi aí que o viram: um pequeno ziguezague com uma grande história.

“Achas que isto pode ser… um plasmoide?” perguntou Gershman a DiBraccio, vendo o rabisco.

Pouco conhecidos na altura da passagem da Voyager 2, os plasmoides foram desde então reconhecidos como uma maneira importante dos planetas perderem massa. Estas bolhas gigantes de plasma, ou gás electrificado, desprendem-se do final da magneto-cauda de um planeta – a parte do seu campo magnético soprada pelo Sol como uma manga de vento. Com tempo suficiente, os plasmoides que escapam podem drenar iões da atmosfera de um planeta, alterando fundamentalmente a sua composição. Já haviam sido observados na Terra e noutros planetas, mas ninguém tinha detectado plasmoides em Úrano – ainda.

DiBraccio executou os dados através do seu “pipeline” de processamento e os resultados voltaram limpos. “Eu acho que é mesmo,” disse ela.

A bolha escapa

O plasmoide que DiBraccio e Gershman encontraram ocupava uns meros 60 segundos do voo de 45 horas da Voyager 2 por Úrano. Aparecia como um rápido movimento de cima para baixo nos dados do magnetómetro. “Mas, se o víssemos em 3D, pareceria um cilindro,” disse Gershman.

Comparando os seus resultados com plasmoides observados em Júpiter, Saturno e em Mercúrio, estimaram uma forma cilíndrica com pelo menos 204.000 quilómetros de comprimento, e até 400.000 quilómetros de largura. Tal como todos os plasmoides planetários, estava repleto de partículas carregadas – principalmente hidrogénio ionizado, pensam os autores.

As leituras de dentro do plasmoide – enquanto a Voyager 2 voava através dele – sugeriram as suas origens. Ao passo que alguns plasmoides têm um campo magnético interno torcido, DiBraccio e Gershman observaram “loops” magnéticos suaves e fechados. Tais plasmoides são tipicamente formados quando um planeta lança pedaços da sua atmosfera para o espaço. “As forças centrífugas assumem o controlo e o plasmoide aperta,” explicou Gershman. De acordo com as suas estimativas, este tipo de plasmoide pode representar entre 15 e 55% da perda de massa atmosférica em Úrano, uma proporção maior do que em Júpiter ou Saturno. Pode muito bem ser a maneira dominante de Úrano lançar a sua atmosfera para o espaço.

Como é que o escape de plasmoides mudou Úrano ao longo do tempo? Com apenas um conjunto de observações, é difícil dizer.

“Imagine se uma nave espacial tivesse passado por esta sala e tentasse caracterizar toda a Terra,” disse DiBraccio. “Obviamente, não vai mostrar nada sobre o Saara ou sobre a Antárctica.”

Mas as descobertas ajudam a focar novas questões sobre o planeta. O mistério remanescente é parte do que os atrai. “É por isso que adoro a ciência planetária,” comentou DiBraccio. “Estamos sempre a ir a algum lugar que não conhecemos.”

Astronomia On-line
31 de Março de 2020

 

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