Introduzione

Il rilevamento, più di dieci anni fa da parte del Fermi Gamma Ray Space Telescope, di un eccesso di radiazioni ad alta energia nel centro della Via Lattea, ha convinto alcuni fisici che stavano osservando prove dell’annichilimento delle particelle di materia oscura, ma un team guidato da ricercatori dell’Università della California, Irvine, ha escluso questa ipotesi.

Confutazione e complicazione

In un articolo pubblicato recentemente sulla rivista Physical Review D, gli scienziati dell’UCI e i colleghi del Virginia Polytechnic Institute e della State University e di altre istituzioni, riferiscono che – attraverso un’analisi dei dati del Fermi e una serie esaustiva di modelli – sono stati in grado di determinare che i raggi gamma osservati non avrebbero potuto essere prodotti da quelle che vengono chiamate particelle massive debolmente interagenti, teorizzate più comunemente come il materiale della materia oscura.

Eliminando queste particelle, la cui distruzione potrebbe generare energie fino a 300 giga-elettronvolt, dicono gli autori del documento, hanno posto vincoli ancora più forti sulle proprietà della materia oscura.

Per circa 40 anni circa, il candidato principale per la materia oscura tra i fisici delle particelle era una particella termica, debolmente interagente e di debole scala e questo risultato per la prima volta esclude quel candidato fino a particelle di massa molto alta“, ha detto il co-autore Kevork Abazajian, professore di fisica e astronomia dell’UCI.

In molti modelli, questa particella varia da 10 a 1.000 volte la massa di un protone, con particelle più massive che in teoria sono meno attraenti come particelle di materia oscura“, ha aggiunto il co-autore Manoj Kaplinghat, anche lui professore di fisica e astronomia dell’UCI. “In questo articolo, stiamo eliminando i candidati della materia oscura al di sopra della gamma preferita, il che è unun passo avanti sulla fissazione dei vincoli che poniamo alle possibilità che questi siano rappresentativi della materia oscura“.

Questa rappresentazione dei dati del  Fermi Gamma Ray Space Telescope dopo il suo lancio nel 2008 mostra un eccesso di radiazioni ad alta energia nel Centro Galattico della Via Lattea. Molti fisici hanno attribuito questo fenomeno all’annichilimento di particelle di materia oscura che interagiscono debolmente, ma uno studio condotto dall’UCI ha escluso questa possibilità attraverso una serie di masse di particelle. Credits: Oscar Macias per UCI

Possibile incidenza di altri fenomeni

Abazajian ha detto che i segnali della materia oscura potrebbero essere affollati da altri fenomeni astrofisici nel Centro Galattico – come la formazione delle stelle, la deflessione dei raggi cosmici dal gas molecolare e, in particolare, le stelle di neutroni e le pulsar – come sorgenti di raggi gamma in eccesso rilevati dal telescopio spaziale Fermi.

Abbiamo esaminato tutti i diversi modelli che si svolgono nel Centro Galattico, tra cui gas molecolari, emissioni stellari ed elettroni ad alta energia che diffondono fotoni a bassa energia“, ha detto il co-autore Oscar Macias, uno studioso post-dottorato in fisica e astronomia presso l’Istituto Kavli per la Fisica e la Matematica dell’Universo dell’Università di Tokyo, la cui visita all’UCI nel 2017 ha dato il via a questo progetto. “Ci sono voluti più di tre anni per mettere insieme tutti questi nuovi e migliori modelli ed esaminare le emissioni, scoprendo che c’è poco spazio per la materia oscura“.

Macias, che è anche ricercatore post-dottorato presso il GRAPPA Centre dell’Università di Amsterdam, ha aggiunto che questo risultato non sarebbe stato possibile senza i dati e il software forniti dalla collaborazione del Fermi Large Area Telescope.

Il gruppo ha testato tutte le classi di modelli utilizzati nella regione del Centro Galattico per le analisi delle emissioni in eccesso e le sue conclusioni sono rimaste invariate. “Si dovrebbe creare un modello di emissione diffusa che lasci un grande ‘buco’ in essi per allentare i nostri vincoli e la scienza non funziona in questo modo“, ha detto Macias.

Kaplinghat ha osservato che i fisici hanno previsto che le radiazioni provenienti dall’annichilimento della materia oscura sarebbero state rappresentate in una forma ordinata sferica o ellittica proveniente dal Centro Galattico, ma l’eccesso di raggi gamma – rilevato dal telescopio spaziale Fermi dopo il suo dispiegamento nel giugno 2008 – si presenta come una struttura triassiale, simile a una barra.

Se si sbircia il Centro Galattico, si vede che le stelle sono distribuite in modo squadrato“, ha detto. “C’è un disco di stelle e proprio al centro c’è un rigonfiamento di circa 10 gradi sul cielo ed è in realtà una forma molto specifica – una sorta di scatola asimmetrica – e questa forma lascia pochissimo spazio per ulteriore materia oscura“.

Questa ricerca esclude l’esistenza di materia oscura nella galassia? “No“, ha detto Kaplinghat. “Il nostro studio limita il tipo di particella di cui potrebbe essere composta la materia oscura. Le molteplici linee di prova della materia oscura nella galassia sono robuste e non sono influenzate dal nostro lavoro“.

Lungi dal considerare scoraggianti le scoperte del team, Abazajian ha detto che dovrebbero incoraggiare i fisici a concentrarsi su concetti diversi da quelli più popolari. “Ci sono molti candidati alternativi alla materia oscura là fuori“, ha detto. “La ricerca sarà più simile a una spedizione di pesca dove non si sa in anticipo dove sono i pesci“.

Citazioni e Approfondimenti