Raios cósmicos galácticos: mistério resolvido torna-se não resolvido

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A imagem de raios gama Fermi das enormes bolhas se originou no centro da Via Láctea. Observações de rádio e micro-ondas de acompanhamento revelaram campos magnéticos e estruturas semelhantes a sulcos nessas bolhas.

Quando o mundo era jovem e eu ainda participava de conferências de física, fiquei muito animado com os raios cósmicos galácticos. Parecia haver mais raios cósmicos do que esperado vindo do centro da nossa galáxia. Esses raios cósmicos em excesso podem ser evidência de matéria escura, o que seria um grande avanço se confirmado. Posteriormente, a modelagem de fontes de raios cósmicos mostrou que os raios cósmicos extras eram provavelmente não vindo da aniquilação da matéria escura. Mas agora parece que estamos de volta à estaca zero, porque isso modelo pode não foram precisos.

Como eles chegaram aqui?

Agora é razoavelmente certo que os raios cósmicos que são observados vindo do centro da galáxia são mais numerosos do que os que podem ser explicados por fontes conhecidas de raios cósmicos. Isso não significa muito, porque os raios cósmicos se espalham, então não vemos pontos claros de fontes de raios cósmicos no centro galáctico. Em vez disso, como olhar para o Sol em um dia de neblina, há um brilho difuso de raios cósmicos com algumas áreas mais brilhantes. Para determinar como esse brilho difuso é construído, os cientistas examinam fontes conhecidas de raios cósmicos como supernovas e usam essas observações para estimar a quantidade e a energia total dos raios cósmicos esperados do centro galáctico.

O que vemos, no entanto, não corresponde a este modelo. Houve vários problemas. Primeiro, existem raios cósmicos com energia muito além do que pode ser produzido pelas supernovas. Ao contrário de outros raios cósmicos de alta energia, estes quase certamente se originaram dentro de nossa galáxia.

Outro problema era que parecia haver muitos raios cósmicos. Isso poderia ter várias explicações, mas as duas que pareciam provavelmente eram mais fontes pontuais (supernovas) do que poderíamos ver, também conhecidas como fontes pontuais não resolvidas. A segunda explicação foi muito empolgante – a primeira evidência não gravitacional da matéria escura – partículas de matéria escura aniquilando-se para produzir raios cósmicos.

A fonte dos raios cósmicos de energia mais alta acabou sendo resolvida. As supernovas produzem raios cósmicos de menor energia que são posteriormente acelerado por coisas chamadas Bolhas Fermi. Entre essas três fontes – supernovas extras, matéria escura e bolhas de Fermi – podemos explicar os raios cósmicos do centro de nossa galáxia. Mas quanto de contribuição cada uma das fontes faz? Ainda podemos explicar as coisas se zerarmos as aniquilações da matéria escura?

Uma faca estatística corta o nevoeiro

Para estimar o equilíbrio, os cientistas usam um procedimento de ajuste estatístico que coloca fontes pontuais aleatoriamente no centro galáctico. Além disso, a concentração de matéria escura no centro (um gás de partículas bastante distribuído) contribui com os raios cósmicos. E, finalmente, as bolhas de Fermi geram raios cósmicos de alta energia a partir de alguma fração dos raios cósmicos de energia mais baixa. Essas contribuições são alteradas até que o fluxo de raios cósmicos calculado e seu espectro de energia correspondam aos dados da observação.

Este procedimento é o cerne da discussão: como esse ajuste deve ser realizado?

Os cientistas construíram um método para ajustá-lo e testaram-no nos dados do modelo – ou seja, dados que criam uma distribuição de raios cósmicos por meio de processos físicos conhecidos – e mostraram que ele funciona muito bem. E, como os cientistas estão relativamente confiantes em seus modelos de física de supernova e dispersão de raios cósmicos, eles estavam razoavelmente certos de que o ajuste estatístico também não era ruim.

O resultado foi que os pesquisadores pensaram que poderiam explicar quase dois por cento dos raios cósmicos do centro da galáxia sem incluir qualquer aniquilação da matéria escura. Essa parecia ser a morte da primeira evidência direta de matéria escura.

Sua supernova se encaixa lindamente em madame

Exceto que, afinal, o procedimento de montagem não é tão robusto. Um par de cientistas executou o procedimento de ajuste nos dados do modelo, mas modificou a disponibilidade dos tipos de fontes que poderiam ser adequados (chamados de modelos) e brincar com a quantidade de raios cósmicos da matéria escura. Eles descobriram que o modelo quase sempre levou a contribuição da matéria escura a zero. O resultado final foi que, mesmo que até 15% do fluxo de raios cósmicos fosse devido à matéria escura, o modelo ainda reportaria uma contribuição da matéria escura próxima de zero.

Os pesquisadores também testaram o ajuste em dados reais. Eles pegaram os dados observacionais e os modificaram adicionando uma contribuição da matéria escura a eles. Assim como os dados do modelo, eles descobriram que o procedimento de ajuste atribuía todo o sinal de matéria escura a outras fontes. Somente se eles definissem a contribuição da matéria escura para cerca de 15% ou mais, ela começaria a aparecer nos resultados adequados.

Embora os resultados possam ser explicados por uma coincidência, parece mais provável que o procedimento estatístico simplesmente não seja bom o suficiente. A conseqüência é que a explicação da matéria escura para o excesso de raios cósmicos está de volta à mesa.

Cartas de Revisão Física, 2019, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.241101 (Sobre os DOIs)

Fonte: Ars Technica