Una mappa delle emissioni di raggi gamma nella Via Lattea, basata sulle osservazioni del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi. L'inserto raffigura l'eccesso del centro galattico, una regione sferica inaspettata di emissioni di raggi gamma al centro della nostra galassia, di origine sconosciuta. Credito: NASA / T. Linden, U.Chicago

Introduzione

I fisici del MIT stanno riaccendendo la possibilità, che in precedenza avevano perso, che un lampo di raggi gamma al centro della nostra galassia potrebbe essere il risultato della materia oscura. Nuovi risultati pubblicati di recente sulla rivista Physical Review Letters, evidenziano un “effetto errato” nel modello utilizzato in uno studio condotto nel 2015 e riaprono quello che molti avevano pensato fosse un caso chiuso.

Galactic center excess

Per anni, i fisici hanno saputo di un misterioso surplus di energia al centro della Via Lattea, sotto forma di raggi gamma: le onde più energetiche nello spettro elettromagnetico. Questi raggi sono in genere prodotti dagli oggetti più caldi ed estremi dell’universo, come le supernovae e le pulsar.

I fisici sanno, per la maggior parte di loro, quali sono le fonti dei raggi gamma che si trovano nella Via Lattea. Ma c’è un bagliore di raggi gamma al centro della Via Lattea, noto come galactic center excess, o GCE, con proprietà che i fisici hanno difficoltà a spiegare sulla base delle loro consocenze sulla distribuzione di stelle e gas nella galassia.

Esistono due possibilità principali per ciò che potrebbe produrre questo eccesso: una popolazione di stelle di neutroni ad alta energia e in rapida rotazione conosciute come pulsar o, più affascinante, una nuvola concentrata di materia oscura, che si scontra con se stessa per produrre un eccesso di raggi gamma .

Nel 2015, un team della MIT-Princeton University, tra cui il professore associato di fisica Tracy Slatyer e i postdocs Benjamin Safdi e Wei Xue, erano orientati a favore delle pulsar. I ricercatori hanno analizzato le osservazioni del centro galattico prese dal Fermi Gamma-ray Space Telescope, usando un “modello di sfondo” che hanno sviluppato per descrivere tutte le interazioni delle particelle nella galassia che potrebbero produrre raggi gamma. Hanno concluso, piuttosto definitivamente, che il GCE era probabilmente il risultato di pulsar e non di materia oscura.

Tuttavia, in un nuovo lavoro, guidato da Rebecca Leane del MIT, Slatyer ha rivalutato questa affermazione. Nel tentativo di comprendere meglio il metodo analitico del 2015, Slatyer e Leane hanno scoperto che il modello che hanno usato potrebbe in effetti essere stato “ingannato” a produrre un risultato sbagliato. In particolare, i ricercatori hanno eseguito il modello su osservazioni reali del Fermi, come ha fatto il team del MIT-Princeton nel 2015, ma questa volta hanno aggiunto un falso segnale extra di materia oscura. Hanno scoperto che il modello non è riuscito a captare questo falso segnale e, anche se hanno alzato il segnale, il modello ha continuato ad assumere che le pulsar fossero al centro dell’eccesso.

È emozionante in quanto pensavamo di aver eliminato la possibilità che questa fosse materia oscura“, afferma Slatyer. “Ma ora c’è una scappatoia, un errore sistematico nell’affermazione che abbiamo fatto. Riapre la porta affinché il segnale provenga dalla materia oscura“.

Centro della Via Lattea: granuloso o liscio?

Mentre la galassia della Via Lattea assomiglia più o meno a un disco piatto nello spazio, l’eccesso di raggi gamma al suo centro occupa una regione più sferica, che si estende per circa 5.000 anni luce in ogni direzione dal centro galattico.

Nel loro studio del 2015, Slatyer e i suoi colleghi hanno sviluppato un metodo per determinare se il profilo di questa regione sferica è liscio o “granuloso“. Sostenevano che, se le pulsar sono la fonte dell’eccesso di raggi gamma e queste pulsar sono relativamente luminose, i raggi gamma che emettono dovrebbero abitare in una regione sferica che, quando ripresa dall’immagine, sembra sgranata con buchi scuri tra i punti luminosi in cui stanno le pulsar.

Se, tuttavia, la materia oscura è la fonte dell’eccesso di raggio gamma, la regione sferica dovrebbe apparire liscia: “Ogni linea di vista verso il centro galattico probabilmente ha particelle di materia oscura, quindi non dovrei vedere spazi vuoti o punti freddi nel segnale“, spiega Slatyer.

I ricercatori hanno usato un modello di sfondo di tutta la materia e il gas nella galassia e tutte le interazioni particellari che potrebbero verificarsi per produrre raggi gamma. Hanno preso in considerazione modelli per la regione sferica del GCE che erano sgranati da un lato o levigati dall’altro e hanno escogitato un metodo statistico per distinguerli tra di loro. Hanno quindi inserito nel modello le osservazioni effettive della regione sferica, prese dal telescopio Fermi e hanno cercato di vedere se queste osservazioni si adattassero di più con un profilo liscio o granuloso.

Abbiamo visto che era granulosa al 100%, e quindi abbiamo detto, ‘oh, la materia oscura non può farlo, quindi deve essere qualcos’altro’“, ricorda Slatyer. “La mia speranza era che questo fosse solo il primo di molti studi sulla regione del centro galattico usando tecniche simili. Ma entro il 2018, i principali controlli incrociati del metodo erano ancora quelli che avevamo fatto nel 2015, il che mi ha reso piuttosto nervoso che potremmo aver perso qualcosa“.

Inserire un falso

Dopo essere arrivato al MIT nel 2017, Leane si è interessata all’analisi dei dati dei raggi gamma. Slatyer ha suggerito di provare a testare la solidità del metodo statistico utilizzato nel 2015, per sviluppare una comprensione più profonda del risultato. I due ricercatori hanno posto la domanda difficile: in quali circostanze il loro metodo si sarebbe rotto? Se il metodo ha resistito all’interrogazione, potrebbero essere sicuri del risultato originale del 2015. Se, tuttavia, scoprissero scenari in cui il metodo è crollato, suggerirebbe che qualcosa non andava nel loro approccio, e forse la materia oscura potrebbe essere ancora al centro dell’eccesso di raggio gamma.

Leane e Slatyer hanno ripetuto l’approccio del team MIT-Princeton dal 2015, ma invece di inserire i dati del modello Fermi, i ricercatori hanno essenzialmente elaborato una falsa mappa del cielo, incluso un segnale di materia oscura e pulsar che non erano associate con l’eccesso di raggi gamma. Hanno alimentato questa mappa nel modello e hanno scoperto che, nonostante ci fosse un segnale di materia oscura all’interno della regione sferica, il modello ha concluso che questa regione era molto probabilmente granulosa e quindi dominata da pulsar. Questo è stato il primo indizio, dice Slatyer, che il loro metodo “non era infallibile“.

In una conferenza per presentare i loro risultati, Leane ha ricevuto una domanda da un collega: cosa sarebbe successo se avesse aggiunto un segnale falso di materia oscura che era combinato con osservazioni reali, piuttosto che con una falsa mappa di sfondo?

Il team ha raccolto la sfida, alimentando il modello con i dati del telescopio Fermi, insieme a un falso segnale di materia oscura. Nonostante l’inserimento intenzionale, la loro analisi statistica ha nuovamente perso il segnale della materia oscura e ha restituito un’immagine granulosa, simile a una pulsar. Anche quando hanno alzato il segnale della materia oscura a quattro volte la dimensione dell’eccesso di raggio gamma effettivo, il loro metodo non è riuscito a vederlo.

A quel punto, ero piuttosto eccitato, perché sapevo che le implicazioni erano molto grandi: significava che la spiegazione della materia oscura era tornata sul tavolo“, dice Leane.

Lei e Slatyer stanno lavorando per comprendere meglio il pregiudizio nel loro approccio e sperano di mettere a punto questo pregiudizio in futuro.

Se è davvero materia oscura, questa sarebbe la prima prova che la materia oscura interagisce con la materia visibile attraverso forze diverse dalla gravità“, afferma Leane. “La natura della materia oscura è una delle più grandi domande aperte in fisica al momento. Identificare questo segnale come materia oscura può consentirci di esporre finalmente l’identità fondamentale della materia oscura. Non importa quale sia l’eccesso, staremo imparare qualcosa di nuovo sull’universo“.

Citazioni e Approfondimenti