Uno strano segnale a raggi X proveniente dall'ammasso di galassie Perseus potrebbe essere un indizio della sfuggente materia oscura nel nostro Universo?
Usando i dati d'archivio dell'Osservatorio dei raggi X di Chandra e della missione XMM-Newton, gli astronomi hanno trovato una linea di emissione di raggi X non identificata o un picco di intensità a una lunghezza d'onda molto specifica della luce a raggi X. Questo picco è stato trovato anche in altri 73 ammassi di galassie nei dati XMM-Newton.
Gli scienziati propongono che una possibilità interessante sia che i raggi X siano prodotti dal decadimento dei neutrini sterili, un ipotetico tipo di neutrino che è stato proposto come candidato per la materia oscura e si prevede che interagisca con la materia normale solo attraverso la gravità.
"Sappiamo che la spiegazione della materia oscura è un colpo lungo, ma il pagamento sarebbe enorme se avessimo ragione", ha detto Esra Bulbul del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian (CfA) a Cambridge, Massachusetts, che ha guidato il studia. "Quindi continueremo a testare questa interpretazione e vedere dove ci porta".
Gli astronomi stimano che circa l'85 percento di tutta la materia nell'Universo sia materia oscura, invisibile persino ai telescopi più potenti, ma rilevabile dalla sua forza di attrazione gravitazionale.
I cluster di galassie sono buoni posti in cui cercare la materia oscura. Contengono centinaia di galassie e un'enorme quantità di gas caldo che riempie lo spazio tra di loro. Ma le misurazioni dell'influenza gravitazionale degli ammassi di galassie mostrano che le galassie e il gas costituiscono solo circa un quinto della massa totale. Si pensa che il resto sia materia oscura.
Bulbul ha spiegato in un post sul blog di Chandra che voleva provare a cercare la materia oscura "impilando" (osservazioni sovrapposte l'una sull'altra) un gran numero di osservazioni di ammassi di galassie per migliorare la sensibilità dei dati provenienti da Chandra e XMM- Newton.
"Il grande vantaggio di impilare le osservazioni non è solo un aumento del rapporto segnale-rumore (cioè la quantità di segnale utile rispetto al rumore di fondo), ma anche la diminuzione degli effetti del rivelatore e delle caratteristiche di fondo", ha scritto Bulbul. "L'emissione di raggi X e il rumore strumentale sono i principali ostacoli nell'analisi di oggetti deboli, come ammassi di galassie."
Il suo obiettivo principale nell'uso della tecnica di accatastamento era quello di perfezionare i limiti superiori precedenti sulle proprietà delle particelle di materia oscura e forse persino di trovare una linea di emissione debole da metalli precedentemente non rilevati.
"Queste deboli linee di emissione dei metalli provengono dalle transizioni atomiche note che si verificano nelle atmosfere calde degli ammassi di galassie", ha affermato Bulbul. “Dopo aver trascorso un anno a ridurre, esaminare attentamente e impilare le osservazioni a raggi X XMM-Newton di 73 ammassi di galassie, ho notato una linea di emissione inaspettata a circa 3,56 chiloelettroni volt (keV), un'energia specifica nella gamma dei raggi X. ”
In teoria, un neutrino sterile decade in un neutrino attivo emettendo un fotone a raggi X nell'intervallo keV, che può essere rilevato attraverso la spettroscopia a raggi X. Bulbul ha affermato che i risultati del suo team sono coerenti con le aspettative teoriche e i limiti superiori posti dalle precedenti ricerche ai raggi X.
Bulbul e i suoi colleghi hanno lavorato per un anno per confermare l'esistenza della linea in diversi sottocampioni, ma dicono che hanno ancora molto lavoro da fare per confermare che hanno effettivamente rilevato neutrini sterili.
"Il nostro prossimo passo è quello di combinare i dati della missione Suzaku di Chandra e JAXA per un gran numero di ammassi di galassie per vedere se troviamo lo stesso segnale radiografico", ha detto il coautore Adam Foster, anch'egli di CfA. "Esistono molte idee su cosa potrebbero rappresentare questi dati. Potremmo non esserne certi fino al lancio di Astro-H, con un nuovo tipo di rivelatore a raggi X che sarà in grado di misurare la linea con più precisione di quanto sia attualmente possibile. "
Astro-H è un'altra missione giapponese che dovrebbe essere lanciata nel 2015 con uno strumento ad alta risoluzione che dovrebbe essere in grado di vedere un dettaglio migliore negli spettri, e Bulbul ha detto che sperano di essere in grado di "distinguere in modo inequivocabile una linea astrofisica da un segnale di materia oscura e dicci cos'è veramente questa nuova emissione di raggi X. ”
Poiché la linea di emissione è debole, questo rilevamento sta spingendo le capacità di Chandra e XMM Newton in termini di sensibilità. Inoltre, il team afferma che potrebbero esserci spiegazioni diverse dai neutrini sterili se questa linea di emissione di raggi X è considerata reale. Ci sono modi in cui la materia normale nel cluster potrebbe aver prodotto la linea, anche se l'analisi del team ha suggerito che tutti questi avrebbero comportato cambiamenti improbabili nella nostra comprensione delle condizioni fisiche nel cluster di galassie o nei dettagli della fisica atomica di gas estremamente caldi.
Gli autori osservano inoltre che anche se l'interpretazione sterile dei neutrini è corretta, la loro rilevazione non implica necessariamente che tutta la materia oscura sia composta da queste particelle.
Il comunicato stampa di Chandra ha condiviso un'interessante occhiata dietro le quinte su come la scienza è condivisa e discussa tra gli scienziati:
A causa del potenziale allettante di questi risultati, dopo aver inviato a The Astrophysical Journal gli autori hanno pubblicato una copia dell'articolo su un database accessibile pubblicamente, arXiv. Questo forum consente agli scienziati di esaminare un documento prima della sua accettazione in una rivista peer-reviewed. Il documento ha scatenato una raffica di attività, con 55 nuovi articoli che hanno già citato questo lavoro, coinvolgendo principalmente teorie che discutono la linea di emissione come possibile prova della materia oscura. Alcuni articoli esplorano l'interpretazione sterile dei neutrini, ma altri suggeriscono che potrebbero essere stati rilevati diversi tipi di particelle di materia oscura candidate, come l'assione.
Solo una settimana dopo Bulbul et al. ha pubblicato il suo articolo su arXiv, un altro gruppo, guidato da Alexey Boyarsky dell'Università di Leida nei Paesi Bassi, ha pubblicato un articolo sull'arXiv riportando le prove di una linea di emissione alla stessa energia nelle osservazioni XMM-Newton della galassia M31 e della periferia del gruppo di Perseo. Ciò rafforza l'evidenza che la linea di emissione è reale e non un artefatto strumentale.
Ulteriori letture:
Paper di Bulbul et al.
Comunicato stampa Chandra
Comunicato stampa dell'ESA
Blog di Chandra
