A matéria escura, que compõe a maior parte do universo, não é fácil de ver. Ela é morena. E, no entanto, existe uma maneira pela qual a matéria escura (TM) pode, de certo modo, brilhar.
E como ele é? Se um HM consiste em partículas que são antipartículas (como é o caso de fótons, partículas Z e partículas de Higgs e provavelmente neutrinos), é possível que duas partículas HM se encontrem e se aniquilem (da mesma forma que podem aniquilar um elétron com um pósitron, ou dois fótons), transformando-se em outra coisa que provavelmente podemos detectar - por exemplo, em dois fótons, ou qualquer outra partícula e sua antipartícula. A capacidade de detectar esse efeito depende de muitas coisas desconhecidas para nós. Mas não há nada de errado em procurar esse fenômeno, e há uma boa razão para tentar.
Como esperamos encontrá-lo?
Fig. 1Primeiro, precisamos olhar para o centro da nossa galáxia, a Via Láctea. Assim como é provável que um acidente seja visto no trânsito intenso na hora do rush, colisões de partículas de matéria escura provavelmente podem ser observadas onde sua densidade é maior. E o maior é o centro das galáxias. A razão é que (ver Fig. 1) grandes pedaços de matéria escura se formam ao redor de galáxias e estrelas - de fato, a maior parte da massa da Via Láctea é matéria escura distribuída em uma esfera áspera, embora sua estrutura exata seja desconhecida e provavelmente bastante complicado. As estrelas e as grandes nuvens atômicas das quais elas formam formam um disco rotativo com braços em espiral localizados dentro dessa grande esfera e com uma bola de estrelas (
protuberância ) no centro. É provável que as estrelas no disco e na protuberância se acumulem em locais com a maior concentração de HM. Assim, colisões e aniquilação subsequente, levando ao aparecimento de partículas que somos potencialmente capazes de detectar, podem ocorrer perto do centro da galáxia, por isso precisamos desenvolver ferramentas científicas que possam olhar nessa direção e procurar pistas de que tal aniquilação ocorre.
Infelizmente, obter dicas não é tão fácil, porque não existem tantos tipos de partículas conhecidas que, quando criadas na aniquilação de matéria escura perto do centro da galáxia, podem atingir a Terra. As únicas partículas suficientemente longas que podem alcançar a Terra são elétrons, antielétrons (pósitrons), prótons, antiprótons, vários outros núcleos atômicos estáveis (hélio), neutrinos, antineutrinos e fótons. Mas os neutrinos (e antineutrinos) são extremamente difíceis de detectar, e quase todas as outras partículas têm uma carga elétrica; portanto, seus caminhos são curvos e torcidos no campo magnético da galáxia, e é por isso que eles nunca chegam à Terra. Também garante que, se eles vierem até nós, não poderíamos dizer se eles vieram do centro da galáxia ou não. Os fótons permanecem como as únicas partículas que, em primeiro lugar, podem se mover diretamente do centro da galáxia para a Terra e, em segundo lugar, são facilmente detectadas.
Fig. 2Fótons incomuns de alta energia vindos do centro da galáxia, e quase em nenhum lugar, podem dar uma boa dica da aniquilação da MT (Fig. 2).
No entanto, essa estratégia tem muitos obstáculos. No centro da galáxia, muitos objetos astronômicos incomuns também são coletados, os quais também emitem fótons de alta energia. Como distinguir entre fótons que emanam da aniquilação da MT e fótons que emanam de uma classe desconhecida de processos estelares que podem ser mais comuns no centro da galáxia do que em qualquer outro lugar?
Resposta: não é fácil, exceto por um caso especial. Se partículas de TM (com uma certa massa, digamos, M) às vezes podem aniquilar, transformando exatamente dois fótons, então para ambos os fótons a energia de movimento será (com muito boa precisão) a energia de massa Mc2 das partículas de matéria escura. O motivo é simples - é descrito em um
artigo sobre a aniquilação de partículas e antipartículas e é mostrado na Fig. 3)
Fig. 3Se a partícula e a antipartícula estiverem praticamente em repouso, a energia de cada uma delas estará quase completamente contida na massa e será quase exatamente igual a Mc2. Os pulsos de ambos são quase nulos. A energia e o momento são conservados; portanto, a energia total é aproximadamente igual a 2 Mc
2 antes e depois da aniquilação. Quando uma partícula e antipartícula se transformam em outra partícula e antipartícula, as energias de ambos serão iguais a Mc
2 . Normalmente, será uma mistura de energia da massa + s e energia do movimento. No caso em que a partícula final e a antipartícula se transformam em fótons sem massa e, consequentemente, energia de massa, toda a sua energia será a energia do movimento.
Não conhecemos a massa M da partícula TM e não sabemos a energia dos fótons resultantes. Mas como a massa é a mesma para todos os elétrons e a massa é a mesma para todos os prótons, e a massa para todas as partículas da MT é a mesma, cada aniquilação da TM levará ao aparecimento de dois fótons com uma energia quase igual a Mc
2 . E isso significa que, se usarmos um telescópio especial para medir fótons de alta energia que emanam de uma área próxima ao centro da galáxia e construirmos um gráfico do número de fótons a partir de sua energia, devemos esperar que muitos processos astrofísicos criem muitos fótons com energias diferentes que formarão um fundo suave, mas os processos que ocorrem com o HM adicionarão um monte de fótons da mesma energia - uma explosão que se eleva acima do fundo (veja a Fig. 4). É quase impossível imaginar um objeto astronômico, uma estrela estranha que seria simples o suficiente para criar uma explosão desse tipo - portanto, um sinal na forma de uma explosão estreita será uma evidência clara do processo de aniquilação de pares de partículas da MT.
Fig. 4E esta é uma maneira muito poderosa de procurar TM. Não funcionará se as partículas da MT não forem antipartículas para si mesmas e não puderem se aniquilar. Não funcionará se as partículas da MT frequentemente não produzem fótons após a aniquilação. Mas pode funcionar. E já existem tentativas, a mais interessante delas é o uso
do telescópio espacial de raios gama Fermi , um experimento com um satélite trabalhando no espaço e medindo fótons vindos de todo o céu, incluindo aqueles que vêm do centro da galáxia.