Tracy Slatyer, conhecida por caçar matéria escura em nossa galáxia e descobrir evidências de uma antiga explosão da Via Láctea, ganhou um prêmio de $ 100.000 financiado por bilionários da tecnologia.
Tracy Slatyer, conhecida por caçar matéria escura em nossa galáxia e descobrir evidências de uma antiga explosão da Via Láctea, ganhou um Prêmio New Horizons de $ 100.000 em Física.
Slatyer, um físico do MIT originário da Austrália, é mais famoso como co-descobridor das “bolhas de Fermi”. Enquanto procurava indícios da assinatura da matéria escura nos raios gama que emanam do centro da Via Láctea, ela e seus colegas encontraram estruturas nunca antes vistas estendendo-se muito acima e abaixo do disco galáctico – tremores secundários de uma explosão de buraco negro de milhões de anos atrás, isso veio a ser conhecido como “bolhas de Fermi”, em homenagem ao Telescópio Espacial Fermi de raios gama. Mas Slatyer ainda está caçando matéria escura e encontrou pistas promissoras (embora ainda provisórias) da matéria no centro galáctico.
O prêmio New Horizons, concedido anualmente pela Breakthrough Prize Foundation, vai para pesquisadores do “início de carreira”, como Slatyer, que obteve seu Ph.D. em 2010 e foi contratado pelo MIT em 2013. Os prêmios da New Horizons são menores do que os prêmios de US $ 3 milhões que a Breakthrough distribui a cada ano, normalmente para cientistas mais velhos e mais estabelecidos. Slatyer foi o único vencedor solo do prêmio 2021 New Horizons em Física, com os outros dois prêmios indo para equipes de pesquisa de quatro membros cada. O dinheiro do prêmio é doado por um grupo de bilionários da tecnologia (Sergey Brin, Anne Wojcicki, Mark Zuckerberg, Priscilla Chan, Yuri Milner, Julia Milner, Jack Ma e Pony Ma).
O Breakthrough concedeu a Slatyer o prêmio “Por contribuições importantes para a astrofísica de partículas, desde modelos de matéria escura até a descoberta das” Bolhas de Fermi “.
Slatyer passa muito tempo refinando modelos de matéria escura – calculando precisamente como suas partículas podem se comportar e as implicações dessas diferentes possibilidades. E o resto de seu tempo é gasto caçando-os.
“Foi uma surpresa completa”, disse Slatyer ao Live Science. “O prêmio nem estava no meu radar.”
Traços de raios gama de matéria escura
Cerca de 84% da massa do universo é matéria escura, que não emite luz, mas exerce atração gravitacional. Os cientistas não sabem o que é essa matéria escura ou de onde veio. Mas os físicos podem ver evidências indiretas da matéria escura por meio de seus efeitos gravitacionais na matéria luminosa (as coisas que podemos ver). Os movimentos e arranjos das galáxias, o comportamento da luz em vastas regiões do espaço e a estrutura do universo sugerem a presença de algo lá fora que não podemos detectar diretamente – grande parte dele agrupado em “halos” em torno de grandes galáxias como a via Láctea.
No momento, detectar diretamente a matéria escura é um dos maiores objetivos da física. Isso é uma grande parte do que Slatyer passou sua carreira tentando fazer. Mas até agora, a matéria escura tem sido muito boa em se esconder ..
“Se ele interage com outras forças que conhecemos” – como o eletromagnetismo, ou a força fraca e a força forte em núcleos atômicos – “ele o faz de maneira muito fraca”, disse Slatyer.
Mas há motivos para pensar que ele interage um pouco com outro assunto. A pista está nesse número, 84%. Os físicos tendem a pensar sobre os números em termos de “ordens de magnitude”. Significado: são muito pequenos, pequenos, médios, grandes, muito grandes, muito grandes ou o quê? O número exato é importante, mas também a categoria geral em que se enquadra. E 84%, do ponto de vista de um físico, é um número médio. Não está claro por que a porção de matéria escura do universo deveria ser de tamanho médio.
“Por que está no mesmo patamar de 50%?” Disse Slatyer. “Por que não é 99,999%? Ou 0,0001% por cento da matéria no universo?”
Uma explicação possível: a matéria escura interage periodicamente com outras partículas de matéria, mas apenas fracamente. Existem outras partículas como esta: Neutrinos estão por toda parte, mas raramente interagem e só são possíveis de detectar com equipamentos muito sensíveis. Nos primeiros dias do universo, quando tudo era mais quente, mais denso e mais próximo, essas interações aconteciam o tempo todo. O aperto teria aumentado dramaticamente as chances de uma partícula de matéria escura colidir com outra partícula. Mas com o tempo, o universo se espalhou e essas interações se tornaram menos comuns.
Há uma interação hipotética particular que faz um bom trabalho ao produzir um universo de matéria escura de 84% em modelos astrofísicos: se as partículas de matéria escura que colidem umas com as outras formassem partículas de matéria comum, isso reduziria a quantidade de matéria escura no universo ao longo do tempo. No entanto, uma interação que pode acontecer em uma direção também pode acontecer na outra, de modo que as partículas luminosas às vezes colidem para formar matéria escura.
Com o tempo, disse Slatyer, essas duas interações levariam a matéria escura a um equilíbrio, disse Slatyer. Depois de aceitar essa imagem geral, você pode calcular as propriedades da matéria escura que teriam levado ao nosso universo de matéria escura de 84%.
“Se você fizer esse cálculo, verá que é bastante consistente com [o que aconteceria] se a matéria escura tivesse uma massa semelhante às partículas [luminosas] mais pesadas … e interagindo com uma força comparável à força nuclear fraca”, ela disse.
(Nesta estrutura, provavelmente ele interage com a força nuclear fraca. Mas os físicos deixam em aberto a possibilidade de que ele interaja com uma força desconhecida que é muito semelhante à força fraca.)
Quando os físicos das partículas sabem sobre essa faixa de massa colidem, eles produzem fótons (partículas de luz) com dezenas ou centenas de gigaeletronvolts (GeV) de energia.
“E fótons com dezenas ou centenas de GeV de energia, chamamos de raios gama”, disse ela.
Se os WIMPs estiverem por aí, ocasionalmente esbarrando uns nos outros, eles devem produzir um brilho fraco de raios gama que os pesquisadores podem teoricamente detectar. Procurando por esses rastros
É por isso que grande parte da caça à matéria escura de Slatyer depende fortemente de dados do Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA. Uma área onde ela caça raios gama está no aglomerado de matéria escura mais próximo que conhecemos: a parte mais densa do halo da Via Láctea, bem perto de seu centro.
O problema é que o centro da Via Láctea tem muitas outras fontes de raios gama, algumas das quais desconhecemos. Para identificar os raios gama vindos da matéria escura, os pesquisadores precisam primeiro modelar exatamente como deve ser o sinal de raios gama da matéria escura. Em seguida, eles precisam de um “modelo de fundo” – uma imagem detalhada de todas as outras fontes conhecidas de raios gama provenientes daquela parte do céu. Isso é tudo que eles devem ignorar.
Se Slatyer e seus colegas tirarem uma foto da matéria escura da Via Láctea, eles o farão estudando um grande número de fótons de raios gama detectados naquela parte do espaço e subtraindo todos os fótons que podem ser explicados sem matéria escura. Modelos sugerem que a solução deve deixar apenas um pequeno remanescente – medido em algumas dezenas de partículas individuais de raios gama ao longo de uma década de observações de Fermi da Via Láctea – vindo de interações de matéria escura.
No início da década de 2010, Slatyer e seus colaboradores pensaram que haviam encontrado aquele pequeno excesso. O estudo cuidadoso dos dados de Fermi do centro da Via Láctea sugeriu uma forma vaga e bulbosa no espectro de raios gama.
“Parecia quase um ovo difuso”, disse ela.
Isso correspondia de perto à imagem esperada do halo da Via Láctea.
Mas, com o tempo, eles refinaram a imagem desse excesso, como uma câmera lentamente entrando em foco. Eventualmente, eles viram que a forma tinha bordas afiadas e uma cintura apertada, mais parecida com uma ampulheta do que a esperada bolha difusa. A explicação: uma saída de matéria luminosa da região ao redor do buraco negro no centro de nossa galáxia, o traço de uma explosão nas últimas dezenas de milhões de anos. Eles chamaram essas estruturas nunca antes vistas de “bolhas de Fermi”.
Agora, disse Slatyer, ela e seus colegas estão focados em um novo excesso de raios gama descoberto nos dados do Fermi. É fraco, mas parece se aproximar da imagem da bola difusa.
Mais uma vez, porém, os pesquisadores não têm certeza se encontraram um sinal de matéria escura ou outra fonte de fundo nunca vista antes. O excesso corresponde ao sinal que se espera vir de WIMPs em colisão, mas também pode ser explicado por uma população desconhecida de pulsares de milissegundos – pequenas estrelas de nêutrons girando a velocidades incríveis. Existem muitos pulsares de milissegundos na Via Láctea, mas isso exigiria muito mais deles do que o esperado, distribuídos ao redor do centro galáctico.
Agora, disse Slatyer, a caça a esses pulsares começou. “Pontos quentes” em imagens de raios gama ou ondas de rádio do céu, ou qualquer evidência de pulsação nos dados escassos, sugeriria que mais uma vez os pesquisadores descobriram acidentalmente um novo objeto galáctico que não é matéria escura.
“Se você me mostrasse uma densa população de pulsares nesta região, ficaria muito feliz em dizer que o excesso é de pulsares”, disse ela.
Se essa descoberta estiver chegando, pode acontecer nos próximos anos, graças ao MeerKAT, um conjunto de radiotelescópios na África do Sul que deve ser capaz de encontrar pulsares individuais naquela parte do espaço. Mas provar que o excesso é matéria escura seria mais difícil e demoraria muito mais tempo.
“Obviamente, como física de partículas, eu ficaria feliz se fosse matéria escura”, disse ela.
Mas é possível, ela disse que esse excesso e o próximo e aquele depois daquele sejam outras características do universo que ninguém estava procurando. Isso pode não ser matéria escura, mas ainda é muito bom.
“Essa é uma das coisas que eu realmente gosto neste campo”, disse ela. “É um pouco ingrato ficar tipo ‘Não, universo! Você não me deu a descoberta que eu queria!'”
Publicado em 12/09/2020 03h32
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