Ci sono molte cose misteriose al centro della Via Lattea. Il buco nero supermassiccio che risiede lì è il principale tra loro. Ma c'è un altro enigma intrigante lì: un'inaspettata regione sferica di intense emissioni di raggi gamma.
Un nuovo studio suggerisce che la materia oscura potrebbe essere alla base di tali emissioni.
Esistono molte sorgenti di raggi gamma nell'universo e la maggior parte di esse è ben compresa. Pulsar, magnetar e quasar producono tutti raggi gamma. Ma possono spiegare i raggi gamma provenienti dal centro della nostra galassia?
I raggi gamma sono potenti. Sono una forma di radiazione elettromagnetica penetrante prodotta dai fenomeni più energici dell'Universo. Hanno le lunghezze d'onda più corte di qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica e la più alta energia del fotone.
L'eccesso di raggi gamma nel cuore della Via Lattea è noto ai fisici, e loro lo chiamano l'eccesso del centro galattico (GCE). Sappiamo molto della Via Lattea e che la conoscenza ha ristretto le spiegazioni del GCE a due possibilità principali: una popolazione di pulsar, che sono stelle di neutroni in rapida rotazione, o materia oscura. I fisici pensano che se è materia oscura, esiste in una densa nuvola al centro della galassia, che si scontra con se stessa e si annichilisce per produrre raggi gamma.
Nel 2015, uno studio ha dimostrato che la fonte del GCE era in realtà pulsar e la materia oscura non era coinvolta. Lo studio proveniva da un team di ricercatori di Princeton e del MIT, incluso il professore associato di fisica Tracy Slatyer. Hanno usato le osservazioni del centro galattico prese con il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi insieme a un modello che descriveva tutte le interazioni nella Via Lattea che potevano produrre raggi gamma. Hanno concluso che le pulsar erano responsabili.
Ma un nuovo studio, che coinvolge anche Slatyer del MIT, sembra aver rovesciato quei risultati e indicato la materia oscura come fonte di tutti quei raggi gamma.
Il nuovo studio si intitola "Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess" ed è pubblicato su Physical Review Letters. Gli autori sono Tracy Slatyer del Center for Theoretical Physics presso il MIT e Rebecca Leane della School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study. Il loro studio dice che c'è un problema con quello precedente e i suoi risultati non sono affidabili. Un contributo della materia oscura al GCE avrebbe potuto passare inosservato.
La difficoltà nel restringere il GCE a pulsar o materia oscura si riduce al modo in cui i fotoni vengono emessi e alla nostra capacità tecnologica di rilevarli. I raggi gamma della materia oscura sarebbero diffusi, mentre quelli delle pulsar sarebbero fonti puntuali più concentrate. Nel 2015, tutti i raggi gamma sono sembrati diffusi, ma ciò potrebbe essere dovuto al fatto che le fonti puntuali sembrano diffuse ai nostri telescopi, che hanno una risoluzione spaziale limitata. Nel 2015, i ricercatori hanno concluso che le pulsar erano responsabili.
La Via Lattea è più o meno piatta, con un rigonfiamento al centro. I raggi gamma occupano una regione sferica al centro di circa 5.000 anni luce nel raggio. Il metodo sviluppato da Slatyer e dai suoi colleghi nel 2015 ha tentato di risolvere se questa regione sferica fosse "liscia" o se fosse "granulosa". Il loro ragionamento era che se le pulsar sono la fonte dei raggi gamma, quei raggi gamma dovrebbero rendere sgranata quella regione sferica. Ci sarebbero spazi oscuri tra i raggi gamma dove non c'erano fonti pulsar.
Ma se i raggi gamma provenissero dalla materia oscura, la regione sferica sarebbe liscia. "Ogni linea di vista verso il centro galattico probabilmente ha particelle di materia oscura, quindi non dovrei vedere alcun gap o punto freddo nel segnale", ha spiegato Slatyer.
Hanno sviluppato un modello che rappresentava tutta la materia e il gas nella Via Lattea e tutte le interazioni delle particelle che potevano produrre raggi gamma. Quindi hanno preso in considerazione modelli per la regione sferica del GCE che erano granulosi o lisci e un metodo statistico per distinguerli. Quindi hanno preso quel modello e hanno inserito in esso le osservazioni del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi per vedere se le osservazioni si adattano a un profilo granuloso o uniforme.
Se le osservazioni rientrano in un profilo granuloso, le pulsar potrebbero spiegare i raggi gamma. Se si adattano a un profilo uniforme, la materia oscura potrebbe spiegarli. Il profilo granuloso era una misura schiacciante.
"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 avremmo perso qualcosa ".
Alla fine Slatyer e Leane decisero di provare il modello. Slatyer temeva che potesse non essere abbastanza robusto. Decisero di creare una mappa "falsa" del cielo che includesse un segnale di materia oscura e pulsar che non erano associate al GCE. Lo hanno inserito nel modello e anche se i loro dati contenevano un falso segnale di materia oscura, il modello ha concluso che era granuloso e quindi dominato dalla pulsar. Secondo Slatyer, questa era la prova che il loro modello non era infallibile e che c'era ancora spazio per la materia oscura per svolgere un ruolo nel GCE.
"Se è davvero materia oscura, questa sarebbe la prima prova che la materia oscura interagisce con la materia visibile attraverso forze diverse dalla gravità."
Rebecca Leane, Coautore, School of Natural Sciences, Institute of Advanced Study.
Quindi un collega ha suggerito ai ricercatori di aggiungere un falso segnale di materia oscura combinato con osservazioni Fermi reali per testare il loro modello, anziché con una falsa mappa di sfondo.
Lo hanno fatto e il loro modello statistico ha fallito il test. Nonostante il segnale liscio della materia oscura, il modello ha restituito un risultato granulare dominato dalla pulsar. Hanno alzato il loro segnale di materia oscura a quattro volte le dimensioni dell'attuale GCE e ancora il loro modello non è riuscito a rilevarlo.
"" 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.
Se questi risultati più recenti sono corretti, è un grosso problema.
"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 permetterci di esporre finalmente l'identità fondamentale della materia oscura. Non importa quale sia l'eccesso, impareremo qualcosa di nuovo sull'universo. ”
"È eccitante il fatto che pensassimo di aver eliminato la possibilità che si tratti di materia oscura", ha detto Slatyer in un comunicato stampa. "Ma ora c'è una scappatoia, un errore sistematico nell'affermazione che abbiamo fatto. Riapre la porta per il segnale proveniente dalla materia oscura. "
Questo nuovo risultato è stato pubblicato nel numero dell'11 dicembre della rivista Physical Review Letters.
Di Più:
- Comunicato stampa del MIT: c'è materia oscura al centro della Via Lattea?
- Research Paper: Revival of the Dark Matter Ipotesi per l'eccesso di raggi gamma del centro galattico
- Wikipedia: Particelle voluminose che interagiscono debolmente (WIMP)
