Un’illustrazione della materia oscura concentrata nel cuore di una galassia a spirale. Eventi strani osservati nel cuore della Via Lattea potrebbero essere la prova schiacciante di un nuovo sospetto di materia oscura. Se così fosse, gli scienziati potrebbero aver trascurato l’impatto sottile della materia oscura, la “sostanza” più misteriosa dell’universo, sulla chimica cosmica. Questo nuovo candidato alla materia oscura non solo sarebbe più leggero dei sospetti ipotetici esistenti, ma sarebbe anche auto-annichilente. Ciò significa che quando due particelle di materia oscura si incontrano, si distruggono a vicenda e creano un elettrone caricato negativamente e il suo equivalente caricato positivamente, un positrone. Questo processo e l’inondazione di elettroni e positroni fornirebbero l’energia necessaria per strappare gli elettroni dagli atomi neutri, un processo chiamato ionizzazione, nel gas denso al centro della Via Lattea. Questo potrebbe spiegare perché c’è così tanto gas ionizzato nella regione centrale chiamata Zona Molecolare Centrale (CMZ). Anche se l’annichilazione della materia oscura è rara, è ragionevole pensare che si verificherebbe più frequentemente nel cuore delle galassie dove si pensa che si conglomeri.
“Proponiamo che la materia oscura più leggera di un protone [le particelle che si trovano nei nuclei degli atomi] potrebbe essere responsabile di un effetto insolito osservato nel centro della Via Lattea,” ha detto il leader del team e ricercatore post-dottorato al King’s College di Londra. “A differenza della maggior parte dei candidati alla materia oscura, che sono spesso studiati attraverso i loro effetti gravitazionali, questa forma di materia oscura potrebbe rivelarsi ionizzando il gas, essenzialmente strappando elettroni dagli atomi nella CMZ. Questo accadrebbe se le particelle di materia oscura si annichilassero in coppie di elettroni-positroni, che poi interagiscono con il gas circostante.”
La materia oscura si pensa costituisca circa l’85% della “sostanza” nel cosmo, ma nonostante la sua ubiquità, gli scienziati non possono “vederla” come fanno con una grande quantità di materia ordinaria. Questo perché la materia oscura non interagisce con la luce, o se lo fa, lo fa troppo debolmente e troppo raramente per essere osservata. Questo dice agli scienziati che la materia oscura non può essere composta dalle particelle barioniche come elettroni, protoni e neutroni che compongono gli atomi che formano stelle, pianeti, lune e tutto ciò che vediamo intorno a noi quotidianamente. L’unica ragione per cui gli scienziati teorizzano che la materia oscura esista è perché interagisce con la gravità, e questa influenza impatta la luce e la materia “ordinaria”.
Questo ha spinto gli scienziati a guardare oltre il cosiddetto “modello standard della fisica delle particelle” per cercare particelle che potrebbero spiegare la materia oscura. Queste particelle variano in massa, data in elettronvolt (eV), e in caratteristiche. Si propone che alcune, come questo nuovo sospetto, potrebbero auto-annichilarsi. I “principali sospetti” attuali per la materia oscura sono gli assioni e le particelle simili agli assioni, che coprono una vasta gamma di masse. Tuttavia, il team ha per lo più escluso gli assioni e le particelle simili agli assioni come colpevoli della materia oscura legata all’ionizzazione del gas nella CMZ. “La maggior parte dei modelli di assioni non prevede un’annichilazione significativa in coppie di elettroni-positroni nel modo in cui fa la nostra proposta di materia oscura,” ha detto. “Il nostro soggetto proposto di materia oscura è sub-GeV (un miliardo di eV) in massa e si auto-annichila in elettroni e positroni. Questo lo distingue perché influisce direttamente sul mezzo interstellare, creando una firma sotto forma di ionizzazione extra, qualcosa che gli assioni tipicamente non fanno.”
Nella CMZ densamente popolata, i positroni creati non possono viaggiare lontano o sfuggire prima di interagire con le molecole di idrogeno vicine, strappando via i loro elettroni. Questo rende questo processo particolarmente efficiente in questa regione centrale. “Il problema più grande che questo modello aiuta a risolvere è un eccesso di ionizzazione nella CMZ,” ha detto. “I raggi cosmici, i soliti colpevoli per l’ionizzazione del gas, non sembrano essere abbastanza forti da spiegare i livelli elevati di ionizzazione che osserviamo.” I raggi cosmici sono particelle cariche che viaggiano vicino alla velocità della luce, ma secondo questo team, il segnale di ionizzazione dalla CMZ sembra indicare una fonte che si muove più lentamente e che è più leggera di molti altri candidati alla materia oscura. Inoltre, se i raggi cosmici stessero ionizzando il gas nella CMZ, dovrebbe esserci un’emissione associata di raggi gamma, che sono particelle di luce ad altissima energia. Tuttavia, questa emissione manca negli studi della CMZ. “Se la materia oscura è responsabile dell’ionizzazione della CMZ, significherebbe che stiamo rilevando la materia oscura non vedendola, ma osservando il suo sottile impatto chimico sul gas nella nostra galassia,” ha detto. Tuttavia, c’è un debole bagliore di raggi gamma non spiegato dal Centro Galattico che potrebbe anche essere collegato ai positroni e all’ionizzazione. “Se troviamo una connessione diretta tra l’ionizzazione e questa emissione di raggi gamma, potrebbe rafforzare il caso per la materia oscura,” ha detto. “C’è una certa correlazione tra questi due segnali, ma abbiamo ancora bisogno di più dati in questa fase per dire qualcosa di più forte.”
Inoltre, questo modello di annichilazione della materia oscura potrebbe anche spiegare un’emissione di luce caratteristica dalla CMZ derivante da positroni carichi positivamente ed elettroni carichi negativamente che si scontrano e si combinano in uno stato chiamato positronio, che poi decade rapidamente in raggi X, luce con un’energia leggermente inferiore ai raggi gamma. “I numeri si adattano molto meglio di quanto ci aspettassimo. Spesso, le spiegazioni della materia oscura incontrano problemi perché prevedono segnali che dovrebbero già essere stati visti dai telescopi,” ha detto. “Ma in questo caso, il tasso di ionizzazione prodotto dalla materia oscura sub-GeV si adatta perfettamente ai vincoli noti, senza contraddire le osservazioni esistenti dei raggi gamma e della radiazione cosmica di fondo (CMB).” Il ricercatore ha aggiunto che la congiunzione preliminare con l’emissione di raggi X è anche molto intrigante. “Questa è una situazione rara ed eccitante nella ricerca sulla materia oscura,” ha aggiunto.
Naturalmente, questo nuovo candidato alla materia oscura è all’inizio della sua vita teorica; non ha nemmeno un nome accattivante come WIMP (Particella Massiva debolmente Interagente) o MACHO (Oggetto Compatto Massivo dell’Alo) ancora! Per confronto, gli assioni esistono da quando sono stati teorizzati per la prima volta dai fisici teorici Frank Wilczek e Steven Weinberg nel 1978. Ciò significa che c’è molto da teorizzare prima che questo candidato prenda il suo posto tra gli assioni, i WIMP, i MACHO, i buchi neri primordiali e il resto nella linea dei sospetti della materia oscura. “Abbiamo bisogno di misurazioni più precise dell’ionizzazione nella CMZ; se possiamo mappare l’ionizzazione in modo più accurato, potremmo vedere se segue la distribuzione prevista della materia oscura,” ha detto. “Se escludiamo altre potenziali fonti di ionizzazione, l’ipotesi della materia oscura diventa più convincente.” Ulteriori prove di una connessione tra la materia oscura annichilente e le strane emissioni dalla CMZ potrebbero essere fornite dal prossimo telescopio spaziale a raggi gamma COSI (Compton Spectrometer and Imager) della NASA, che dovrebbe essere lanciato nel 2027. COSI dovrebbe fornire dati migliori riguardo ai processi astrofisici su scala MeV (1 milione di eV), che potrebbero aiutare a confermare o escludere questa spiegazione della materia oscura. In ogni caso, questa ricerca ha fornito un nuovo modo di guardare all’influenza della materia oscura. “La materia oscura rimane uno dei più grandi misteri della fisica, e questo lavoro mostra che potremmo aver trascurato i suoi sottili effetti chimici sul cosmo,” ha concluso. “Se questa teoria regge, potrebbe aprire un modo completamente nuovo di studiare la materia oscura, non solo attraverso la sua gravità, ma attraverso il modo in cui modella il tessuto stesso della nostra galassia.” La ricerca del team è stata pubblicata lunedì (10 marzo) sulla rivista Physical Review Letters.