I dati di FERMI sulla materia oscura

Fermi data tantalize with new clues to dark matter

A sinistra una mappa dei raggi gamma provenienti dal centro galattico; hanno un’ energia compresa tra 1 e 3.16 GeV e sono stati rilevati dal LAT di Fermi. Il rosso indica la zona più intensa. A sinistra, rimuovendo le sorgenti di raggi gamma è rilevabile l’annichilazione della materia oscura. (Credit: T. Linden, Univ. of Chicago).

Un nuovo studio sui raggi gamma provenienti dal centro della nostra galassia mostra che alcune emissioni potrebbero derivare dalla materia oscura. Utilizzando i dati raccolti dal Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA, gli scienziati del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), in collaborazione con l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CFA) e con il Massachusetts Institute of Technology (MIT), hanno ottenute nuove mappe in cui si mostra che il centro galattico emette raggi gamma altamente energetici, un eccesso di emissioni del tutto coerente con alcune ipotesi sulla materia oscura. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review D.

“Le nuove mappe ci permettono di analizzare l’eccesso di energia e di verificare se le spiegazioni più convenzionali, come ad esempio la presenza di pulsar ancora sconosciute o collisioni dei raggi cosmici con le nubi di gas circostanti possono rappresentare una spiegazione possibile”, ha commentato Dan Hooper, astrofisico al Fermilab di Batavia e autore principale dello studio. “Il segnale che troviamo non può essere spiegato dalle alternative attualmente proposte, ed è in perfetto accordo con le previsioni anche più semplici dei modelli di materia oscura”.

Il centro galattico è un luogo molto affollato. Pullula di sorgenti di raggi gamma, di sistemi binari interagenti, di pulsar isolate e da residui e particelle che si scontrano con il gas interstellare derivante dalle supernovae; è anche il luogo dove gli astronomi si aspettano di trovare più alta densità di materia oscura, un tipo di materia di cui sappiamo qualcosa a causa degli effetti gravitazionali che ha sulla materia visibile. Sappiamo, infatti, che grandi quantità di materia oscura attraggono la materia ordinaria delle strutture visibili come le galassie. Purtroppo la sua vera natura ci sfugge: probabilmente è costituita dalle WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), peraltro descritte in molti modi ai teorici, ma certamente si tratta di particelle che si annichilano quando incontrano la loro controparte di materia ordinaria. Il che significa che, qualunque cosa siano, la loro vita termina con la produzione di raggi gamma, la forma più energetica di luce e che può essere rilevata dal Fermi Large Area Telescope (LAT).

Quando gli astronomi hanno sottratto tutte le sorgenti di raggi gamma conosciute dalle osservazioni di LAT del centro galattico, si sono trovati di fronte ad un patch di emissione in disavanzo. Questo eccesso appare più evidente ad energie tra 1 e 3 miliardi di GeV, e si estende verso l’esterno visibile del centro galattico. Come spiegare questo surplus di energia? L’annichilazione di particelle di materia oscura con una massa tra i 31 e i 40 GeV fornisce una misura plausibile soprattutto in base al suo spettro di raggi gamma, la sua simmetria intorno al centro galattico, e la sua luminosità complessiva. ma non è detto che questi parametri siano sufficienti per rigettare le ipotesi alternative (soprattutto quelle che lasciano in ombra la materia oscura).

La mappa delle emissioni di raggi gamma osservate da Fermi nel centro della Via Lattea (fonte: NASA Goddard/A. Mellinger Central Michigan Univ. and T. Linden Univ. of Chicago)

La mappa delle emissioni di raggi gamma osservate da Fermi nel centro della Via Lattea (fonte: NASA Goddard/A. Mellinger Central Michigan Univ. and T. Linden Univ. of Chicago).

“La materia oscura in questa fascia di massa può essere sondata dalla rilevazione diretta e dal Large Hadron Collider (LHC), quindi se quello che vediamo è materia oscura stiamo già imparando qualcosa sulle sue interazioni derivate”, ha spiegato il co-autore Tracy Slatyer, fisico teorico del MIT. “Questo è un segnale molto emozionante, e il caso non è ancora chiuso visto che in futuro si potrebbe citare questi dati e dire che questo è stato il luogo dove abbiamo visto per la prima volta l’annichilazione della materia oscura”. I ricercatori avvertono che la strada è ancora lunga, ci vorranno altri dati, molte altre osservazioni, in altri oggetti astronomici e, soprattutto, si attende che ricominci a funzionare il LHC, in modo da poter convalidare queste ipotesi.

La Fermi LAT Collaboration continua a scandagliare con precisione la regione centrale della nostra galassia e fino a quando questo studio non sarà completo è impossibile confermare o smentire questa analisi. Mentre la grande quantità di materia oscura attesa nel centro galattico dovrebbe produrre un segnale forte, resta un fatto: la concorrenza di molte altre fonti di raggi gamma complica qualunque rilevamento. Un modo possibile per aggirare il problema è guardare dove il segnale è meno sporco. Le galassie nane che orbitano intorno alla Via Lattea sono prive di altri tipi di emettitori di raggi gamma e contengono grandi quantità di materia oscura in proporzione alle loro dimensioni. Tuttavia, trovandosi molto più lontano e contenendo una materia oscura totale molto inferiore rispetto al centro della Via Lattea, le galassie nane finiscono per produrre un segnale molto più debole e richiedono molti anni di osservazioni per stabilire se una rilevazione è sicura oppure no.

Negli ultimi quattro anni, la squadra di LAT si è mossa in entrambe le direzioni. I risultati pubblicati in questi studi hanno stabilito dei limiti stringenti sugli intervalli di massa e sui tassi di interazione per molti tipi di WIMPs proposti, addirittura eliminando alcuni modelli. “C’è circa una probabilità di uno su 12 che quello che stiamo vedendo nelle galassie nane non è nemmeno un segnale a tutti gli effetti ma solo una fluttuazione sullo sfondo di raggi gamma. Se questo è vero, il segnale dovrebbe crescere e diventare sempre più forte man mano che Fermi acquisisce ulteriori anni di osservazioni e man mano che le zone osservate si allargano. Se, in ultima analisi, vediamo un segnale significativo, potrebbe essere una forte conferma dell’esistenza di un segnale di materia oscura dal centro galattico”, ha concluso Elliott Bloom, membro del LAT Collaboration. (Fonte: http://phys.org/news/2014-04-fermi-tantalize-clues-dark.htm).

Papers di riferimento:

The characterization of the gamma-ray signal from the central Milky Way: A compelling case for annihilating dark matter

Dark matter constraints from observations of 25 Milky Way satellite galaxies with the Fermi Large Area Telescope

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