Procurando por uma agulha de matéria escura em um palheiro de raios-X

Título: Detection of an unidentified emission line in the stacked X-ray spectrum of galaxy clusters

Autores: Esra Bulbul, Maxim Markevitch, Adam Foster, Randall K. Smith, Michael Loewenstein, Scott W. Randall

Instituição do primeiro autor: Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics, EUA

Status: Publicado no The Astrophysical Journal, disponível no arXiv

Matéria escura é frustrantemente ardilosa. Apesar da grande quantidade de evidências astronômicas indiretas da sua existência, matéria escura continua a esquivar-se de detecção direta. Até hoje, equipes de físicos de partículas ainda não conseguiram apreender uma partícula de matéria escura em experimentos de laboratório baseados nas propriedades preditas pelas teorias mais aceitas.

Procuras indiretas por matéria escura se baseiam em achar “assinaturas” que nos informam sobre sua existência. Isso implica buscar por produtos visíveis de interações da matéria escura, baseado na grande quantidade que deduzimos estar presente ao nosso redor no cosmos.

Partículas de matéria escura podem deixar marcas com altas energias como fótons de raios gama ou partículas carregadas, conhecidas como raios cósmicos. Excessos de raios gama devido a matéria escura estão sendo investigados pelo Telescópio Espacial Fermi, enquanto raios cósmicos estão sendo estudados com o satélite Dark Matter Particle Explorer.

Um exemplo interessante de procura indireta por matéria escura é a observação do céu em raios-X. No artigo de hoje, especificadamente, os autores apresentam a descoberta de uma linha de emissão não identificada nos espectros em raios-X de múltiplos aglomerados de galáxias. Essa linha está presente na mesma energia em cada espectro individual, em aproximadamente 3,5 quiloeletronvolts (keV).

Aglomerados de galáxias contém centenas de galáxias, trilhões de estrelas, e um plasma energético entre galáxias, que brilha em raios-X. Quando olhamos para a composição desse gás emitindo em raios-X usando espectroscopia, podemos observar linhas de emissão que nos informam sobre interações de partículas carregadas dentro do aglomerado. Os autores afirmam que a linha de emissão em 3,5 keV não é o resultado de nenhuma transição conhecida entre estados de energia de partículas carregadas e logo tem origem não-identificada. Eles sugerem que essa linha pode ser o sinal de um candidato à matéria escura conhecido como neutrino inerte.

Um decaimento de neutrino inerte deve produzir fótons com energia que é exatamente metade da massa do neutrino inerte. É previsto que a massa do neutrino inerte está no intervalo de alguns keV, e a energia resultante de um decaimento deveria ser visível em observações em raios-X. Como 90% da massa de um aglomerado de galáxias é feita de matéria escura, o número de eventos de decaimento de neutrinos inertes (em torno de 10⁷⁰ interações por segundo) deve produzir um sinal detectável por telescópios em raios-X.

Os autores procuraram pelo sinal primeiro tomando observações de 73 aglomerados de galáxias usando o telescópio em raios-X da ESA, o XMM-Newton. Como a detecção do sinal de matéria escura seria muito fraca em cada aglomerado individual, os 73 espectros foram somados para melhorar a intensidade do sinal, também removendo efeitos sistemáticos que chamamos de “ruído”.

Contudo, cada aglomerado está a uma distância diferente de nós. Como resultado, as linhas de emissão de cada espectro estão deslocadas para o vermelho (redshifted) de acordo com a distância do aglomerado. Para remediar isso, cada espectro de aglomerado deve ser deslocado para o azul (blueshifted) para garantir que todas as linhas de emissão (incluindo uma possivelmente originada da matéria escura) fiquem alinhadas. Aí então os espectros dos aglomerados podem ser alinhados. Finalmente, um modelo é ajustado ao espectro dos aglomerados. Onde existe um excesso de fótons em relação ao modelo, é possível inferir a presença de uma linha de emissão nova, ainda não identificada. O que os autores encontraram pode ser visualizado na Fig. 1.

O excesso de fótons em relação ao modelo tem uma significância estatística de pelo menos 3 sigma. Isso significa que a probabilidade de ser uma detecção genuína, em vez de uma flutuação estatística, é maior que 99,7%.

Apesar desse resultado ser interessante, não é a figura completa da situação. Para verificar que a amostra de aglomerados somados não foi simplesmente contaminada por uma linha de emissão anômala de um aglomerado próximo e brilhante, eles repetem a análise em subamostras de aglomerados brilhantes em separado.

Focando apenas no aglomerado próximo Perseus, os autores encontram a presença de uma linha na mesma energia – 3.57 keV – mas mais brilhante do que o esperado. Em outras palavras, a linha é muito proeminente para a massa de matéria escura contida em Perseus. Os autores sugerem que o sinal de matéria escura em Perseus pode ser na verdade apenas a detecção de uma linha atômica de argônio que tem energia similar.

Os autores então examinaram uma amostra somada de três aglomerados próximos e brilhantes: Centaurus, Ophiuchus e Coma. Nessa subamostra, não foi encontrado um sinal não-identificado com alguma significância estatística em um dos detectores do XMM, mas mostrou resultados consistentes com a amostra geral em outro detector.

Apesar de parecer que aglomerados próximos apresentam alguns resultados diferentes em relação à origem e a significância dessa linha de emissão intrigante, a amostra geral de aglomerados mostra forte evidência para uma linha no intervalo de energia consistente com os modelos de neutrino inerte.

Esse resultado inspirou novos artigos em sequência. Procuras “locais” no halo da Via Láctea e galáxias anãs próximas falharam em detectar um sinal significante, enquanto espectroscopia detalhada do aglomerado Perseus usando o satélite Hitomi também não encontrou evidência para uma linha em 3,5 keV. Isso torna a detecção original ainda mais curiosa, e a necessidade de mais observações dos telescópios em raios-X da nova geração como o XRISM e o eROSITA. Eles podem ajudar a confirmar se a agulha de matéria escura estava realmente escondida no palheiro de raios-X.

Adaptado de Looking for a dark matter needle in an X-ray stack, escrito por Sunayana Bhargava.