Quão rápida é a matéria escura?

Título: Empirical Determination of Dark Matter Velocities using Metal-Poor Stars

Autores: Jonah Herzog-Arbeitman, Mariangela Lisanti, Piero Madau, Lina Necib

Instituição do primeiro autor: Department of Physics, Princeton University, EUA

Status: The Astrophysical Journal Letters (acesso aberto)


Nossa galáxia é envolvida em uma nuvem (ou halo) de matéria escura, que permeia todas as regiões da galáxia, se estendendo muito além dos braços espirais, mas também orbitando através do nosso Sistema Solar, e até mesmo passando através da Terra. Por isso cientistas constroem detectores gigantes, esperam capturar um pouco destas partículas de matéria escura quando passam por nós. Até agora estes experimentos não detectaram matéria escura, mas a não-detecção é interessante. Descobrindo o que a matéria escura não é, assim diminuindo o número de possibilidades, é um passo importante para revelar a verdadeira natureza dessas partículas misteriosas.

Para conseguirmos entender o que significa quando um detector não observa matéria escura, é importante ter uma previsão clara da quantidade que deveria ser detectada. Por exemplo: se esperamos que muito poucas partículas passem pela Terra em uma dada quantidade de tempo, então talvez a falta de detecção dessas partículas ao longo de alguns anos não significa que estas partículas não existam.  Uma informação importante nesta previsão é a velocidade com que as partículas de matéria escura passam pelo Sistema Solar.

Então, como podemos determinar a velocidade dessas partículas que não conseguimos nem detectar diretamente? Bom, vamos pensar de onde essas partículas vêm. Halos de matéria escura crescem com o tempo através do consumo de outros halos de matéria escura. Este processo é chamado de formação estrutural hierárquica. A Via Láctea está continuamente puxando galáxias menores através da sua força gravitacional, e quando elas estão bem próximas, os efeitos gravitacionais destroem suas morfologias, fazendo com que as estrelas e as partículas de matéria escura sejam agregadas ao halo da Via Láctea (ver Fig. 1).

jon_lomberg_star_stream-768x538
Figura 1. Esta ilustração mostra uma galáxia pequena sendo consumida por uma galáxia maior, como a Via Láctea. Gradualmente, as estrelas e matéria escura que pertencem à galáxia menor são misturadas ao halo da Via Láctea. (Fonte: Jon Lomberg)

A compreensão da origem dessas partículas revela uma informação importante – quando partículas de matéria escura se juntam a Via Láctea, elas são normalmente acompanhadas por estrelas. Isto é ótimo, pois estrelas, diferente de partículas de matéria escura, não são invisíveis, e podemos medir diretamente suas velocidades. Se pudermos confirmar que partículas de matéria escura tendem a ter velocidades similares às suas companheiras estelares, então o problema de determinar a velocidade local da matéria escura é muito mais simples! Descobrir se este é realmente o caso é o objetivo do artigo de hoje.

O problema aqui é que a Via Láctea está continuamente formando estrelas novas, então os autores precisam encontrar uma forma de diferenciar as estrelas formadas na Via Láctea daquelas que foram formadas em galáxias menores e foram consumidas pela Via Láctea junto com a matéria escura. Isto é relativamente simples – estrelas originadas em galáxias menores geralmente apresentam diferente composição química que estrelas sendo formadas na Via Láctea. Isso se deve ao fato de que estrelas da Via Láctea são formadas de material que foi enriquecido com elementos mais pesados por gerações de formação estelar, enquanto as estrelas das galáxias menores não. As estrelas em que estamos interessados são o que os astrônomos chamam de “pouco metálicas”. A previsão é, então, que estrelas pouco metálicas e partículas de matéria escura devem ter velocidades similares.

Eris2-300x300
Figura 2. Uma galáxia simulada parecida com a Via Láctea, tirada da simulação ERIS, utilizada neste artigo. (Fonte: Simone Callegari)

Os autores utilizam simulações de galáxias parecidas com a Via Láctea (Fig. 2) para comparar as velocidades da matéria escura e das estrelas, e encontrar se a previsão é verdadeira. A Fig. 3 mostra as distribuições de velocidades para a matéria escura e para diferentes populações estelares. O histograma em preto representa a matéria escura, o histograma em ciano são todas as estrelas, e o histograma em laranja representa apenas as estrelas pouco metálicas. Os histogramas preto e laranja se alinham bem, indicando que a velocidade de estrelas pouco metálicas de fato batem com a velocidade da matéria escura. Isso significa que, ao observarmos estrelas desse tipo próximas do Sol, podemos estudar melhor a velocidade da matéria escura. Baseados em cálculos preliminares, os autores mostram que a velocidade é menor do que se pensava anteriormente.

Screen-Shot-2017-12-13-at-10.54.39-AM
Figura 3. Histogramas de velocidade para diferentes componentes da Via Láctea, obtidos através da simulação ERIS. O histograma em preto mostra a distribuição de velocidades da matéria escura. O histograma em ciano ilustra a velocidade de todas as estrelas, e tem um pico central muito maior que a distribuição da matéria escura. O histograma em laranja, que inclui apenas estrelas pouco metálicas, é muito similar à distribuição de velocidades da matéria escura. (Fonte: Figura 2 no artigo.)

Este resultado é muito importante. Estimativas anteriores da velocidade da matéria escura vinham de simulações e previsões teóricas. Esse novo método, que utiliza observações reais de nossa galáxia, ao invés de um modelo simplificado, deve melhorar a precisão desses cálculos. Além disso, experimentos atuais como a missão Gaia estão melhorando nossa compreensão da distribuição de velocidade estelar local, o que irá melhorar ainda mais o efeito desse método para determinar a velocidade local da matéria escura.


Este post foi adaptado do astrobite How fast is dark matter, por Nora Shipp.

1 comentário

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s