MATERIA OSCURA AL CENTRO DELLA VIA LATTEA

Finora, la materia oscura è sfuggita a qualunque tentativo di rivelazione. Gli astronomi sanno che questa materia invisibile domina il nostro universo e attrae gravitazionalmente la materia ordinaria, ma non sanno in che modo ciò avvenga. Fin dal 2009, tuttavia, una radiazione gamma sospetta proveniente dal centro della Via Lattea, dove si ritiene che la materia oscura sia particolarmente densa, ha incuriosito i ricercatori. Alcuni si chiedono se questa radiazione possa essere stata emessa in esplosioni causate da particelle di materia oscura che collidono tra loro. Ora un nuovo segnale di raggi gamma, in combinazione con quelli già rivelati, offre un'ulteriore prova che l'origine potrebbe proprio essere la materia oscura.

Una possibile spiegazione della materia oscura è che sia costituita da ipotetiche “particelle massicce debolmente interagenti” (weakly interacting massive particles) o WIMP, che possono essere sia di materia sia di antimateria. Così, quando due di esse collidono, possono annichilarsi, come fanno normalmente particelle di materia e di antimateria. Questi processi creerebbero lampi di raggi gamma, quelli che gli astronomi osservano in abbondanza al centro della nostra galassia con Fermi, il telescopio spaziale a raggi gamma della NASA.

Le esplosioni potrebbero anche creare particelle di raggi cosmici, composti da elettroni e positroni (le antiparticelle degli elettroni) ad alta energia che si allontanerebbero ad alta energia dal nucleo della Via Lattea, collidendo saltuariamente con particelle di luce stellare, e comunicando loro una spinta che le porterebbe nella porzione gamma dello spettro elettromagnetico.

Per la prima volta, i ricercatori hanno rivelato la luce dotata di caratteristiche che sono in accordo con le previsioni per questo secondo processo, chiamato effetto Compton inverso, che produrrebbe raggi gamma in grado di diffondersi in tutto lo spazio e presentarsi in un differente intervallo di energie rispetto a quelli rilasciati direttamente per effetto dell'annichilazione della materia oscura.

Il telescopio spaziale Fermi della NASA ha rivelato una sovrabbondanza di segnali gamma provenienti dal centro della Via Lattea: nell'immagine, la massima attività è nella zona rossa al centro (T. Linden, Univ. of Chicago)

“Appare abbastanza chiaro dal loro lavoro che è presente una componente di raggi gamma dovuta all'effetto Compton inverso”, ha spiegato Dan Hooper, astrofisico del Fermi National Accelerator Laboratory, non coinvolto nello studio, ma che ha sostenuto fin dalla prima ora un possibile segnale di materia oscura nei dati del telescopio Fermi. “Questo tipo di componente potrebbe derivare dalla stessa materia oscura che costituisce il segnale primario di raggi gamma di cui abbiamo parlato in tutti questi anni”. 

I ricercatori dell'Università della California a Irvine Anna Kwa e Kevork Abazajian hanno presentato un nuovo studio il 23 ottobre al 5° Simposio internazionale Fermi tenutosi a Nagoya, in Giappone, e l'hanno proposto per la pubblicazione sulle “Physical Review Letters”.

“Nessuno di questi intriganti segnali gamma è una 'pistola fumante' della materia oscura. Altri processi astrofisici, quali le stelle in rapida rotazione chiamate pulsar, possono produrre entrambi i tipi di segnali. È possibile produrre anche altri modelli in grado di spiegare tutto questo in termini di processi astrofisici”, ha sottolineato Abazajian. “Ma la spiegazione basata sulla materia oscura è la più semplice, e le prove a favore si stanno accumulando”.

I ricercatori del gruppo del telescopio Fermi sono sempre stati cauti nel trarre conclusioni sulla materia oscura dai loro dati. Eppure, al simposio della settimana scorsa, il gruppo ha presentato la propria analisi dei raggi gamma, concludendo che sebbene diverse ipotesi siano compatibili con i dati, il migliore accordo si ottiene con quella della materia oscura. “È una grande notizia, perché è la prima volta che hanno riconosciuto questo fatto”, ha spiegato Abazajian. 

Rappresentazione artistica del telescopio spaziale Fermi della NASA (Cortesia NASA)

Simona Murgia, astrofisica dell'Università della California a Irvine, membro del gruppo di analisi del nucleo galattico della collaborazione Fermi, ha presentato i risultati del gruppo. Murgia dice che la complessità del centro galattico rende difficile sapere con sicurezza da dove derivi l'eccesso di raggi gamma e se la radiazione possa originarsi da sorgenti ordinarie presenti sullo sfondo. 

“È una conclusione molto interessante”, ha detto Murgia a proposito dell'analisi di Abazajian. “Tuttavia la rivelazione del surplus di segnali in questa regione del cielo è complicata dalla nostra incompleta comprensione del background”.

La spiegazione in termini di materia oscura sarebbe più probabile se gli astronomi potessero trovare simili prove dell'annichilazione in altre galassie, per esempio nelle decine di galassie nane che orbitano intorno alla Via Lattea. “Un'affermazione straordinaria richiede il supporto di prove straordinarie, e ritengo che l'annuncio convincente della scoperta richieda un segnale simile proveniente da un'altra regione di spazio, o il risultato di un esperimento non astrofisico, oltre a quello relativo al centro della galassia”, ha spiegato Tracy Slatyer, astrofisico del Massachusetts Institute of Technology, che ha studiato i dati di Fermi relativi al centro della Via Lattea.

Gli esperimenti non astrofisici comprendono alcuni dei cosiddetti esperimenti di rivelazione diretta sulla Terra, che hanno l'obiettivo di catturare le WIMP nelle occasioni estremamente rare in cui collidono con atomi di materia ordinaria. Finora, tuttavia, nessuno di questi esperimenti ha trovato alcuna evidenza della materia oscura; invece, hanno via via ridotto il novero dei possibili tipi di WIMP che potrebbero esistere.

Nemmeno esperimenti spaziali come AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) in orbita sulla Stazione spaziale internazionale, che rivela i raggi cosmici, sono riusciti a trovare prove convincenti della materia oscura. In effetti, i risultati di AMS sembrano in conflitto con le più basilari spiegazioni che legano la materia oscura alle osservazioni di Fermi. “La maggior parte delle persone sarebbe d'accordo nell'affermare che sta avvenendo qualcosa di piuttosto inatteso al centro della Via Lattea, e sarebbe incredibilmente eccitante se si rivelasse effettivamente il segnale di annichilazione della materia oscura”, ha aggiunto Christoph Weniger dell'Università di Amsterdam, un altro astrofisico che ha studiato il nucleo della Via Lattea. “Ma occorre confermare questa interpretazione trovando prima le prove in altre osservazioni indipendenti. C 'è ancora molto lavoro da fare”. 

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