Gli astronomi hanno osservato due fenomeni strani vicino al cuore della nostra galassia, dove le spiegazioni esistenti incontrano difficoltà. Un nuovo articolo mostra come una particella ipotetica potrebbe essere la causa sottostante di entrambi, e potrebbe persino soddisfare la ricerca della materia oscura. Se gli autori hanno ragione, il problema è che abbiamo cercato una materia oscura troppo leggera per noi.
“Al centro della nostra galassia si trovano enormi nuvole di idrogeno caricato positivamente, un mistero per gli scienziati da decenni perché normalmente il gas dovrebbe rimanere neutro. Quindi, cosa fornisce abbastanza energia per espellere gli elettroni caricati negativamente?” ha detto il Dr. Shyam Balaji del King’s College di Londra in una dichiarazione.
I fisici inizialmente attribuivano la ionizzazione ai raggi cosmici, ma altre misurazioni suggeriscono che non ce ne sono abbastanza per fare il lavoro. Balaji e i coautori hanno cercato un’alternativa. Hanno anche notato la frequente rilevazione di raggi gamma da 511 electron volt (eV) provenienti dal rigonfiamento galattico. Questa è la radiazione prodotta quando coppie di elettroni e positroni decadono, trasformando la massa di entrambi in energia, ma la fonte di queste coppie è sconosciuta.
Balaji e i coautori hanno notato che le coppie di elettroni e positroni possono ionizzare l’idrogeno, quindi una fonte adeguata di coppie di elettroni e positroni potrebbe spiegare entrambe le osservazioni. Le collisioni tra certe particelle subatomiche possono produrre coppie di materia/antimateria, quindi una possibile spiegazione è che le particelle si scontrano tra loro nelle affollate regioni interne della galassia e producono coppie di elettroni e positroni. Alcune di queste vanno a ionizzare l’idrogeno, mentre altre (o forse le stesse in un momento successivo) si scontrano tra loro, creando luce da 511 eV nella loro annichilazione.
Gli autori pensano che possiamo escludere tutte le particelle conosciute come causa. Se le particelle responsabili hanno massa, potrebbero rappresentare una parte – forse tutta – della materia oscura che gli scienziati inseguono da decenni. Per quanto sarebbe bello trovare una soluzione unica a tre problemi, il team ha dovuto dimostrare che la loro idea era plausibile se volevano che le persone cercassero prove. Hanno considerato le caratteristiche richieste di una particella per essere indirettamente responsabile della produzione appropriata di coppie. Secondo un articolo appena pubblicato, c’è una sovrapposizione in cui una particella con una gamma ristretta di caratteristiche potrebbe fare entrambe le cose. Dicono che queste particelle sarebbero una sorta di materia oscura leggera, se sono reali.
Se ti stai chiedendo come può la materia essere sia leggera che oscura allo stesso tempo, è vero che i fisici hanno scoperto cose più strane, ma in questo caso, il problema è con la lingua inglese, non con la realtà. La materia oscura prende il nome perché non interagisce con la forza elettromagnetica e quindi non produce luce. La materia oscura leggera che interessa a Balaji e ai coautori sarebbe simile, ma è composta da particelle a bassa massa, ”leggera” qui essendo l’opposto di pesante, non di scura. Le particelle in questione avrebbero circa un millesimo della massa dei WIMPS, uno dei primi candidati proposti per la materia oscura. Ci sarebbe bisogno di un’enorme quantità di esse per spiegare le vaste quantità di materia oscura necessarie per dare senso al modo in cui le galassie ruotano ed evolvono. Tuttavia, Balaji ha detto a IFLScience che questo è plausibile.
“Queste particelle di materia oscura dovrebbero essere diffuse in tutto l’universo, proprio come altri candidati alla materia oscura,” ha detto Balaji. “Tuttavia, i loro effetti sono visibili solo nelle regioni dove la materia oscura è più concentrata, come il centro della Via Lattea. Poiché il tasso di annichilazione dipende dal quadrato della densità, le particelle di materia oscura sono molto più propense a interagire in aree ad alta densità, rendendo la zona molecolare centrale (CMZ) un luogo naturale per cercare la loro influenza.”
Tali particelle leggere potrebbero anche essere più difficili da rilevare con i metodi esistenti rispetto ai candidati di lunga data come i WIMPS e gli assioni, spiegando le frustrazioni continue della ricerca sulla materia oscura. Balaji ha detto a IFLScience che anche senza trovare una tale particella sulla Terra e confermare le sue proprietà, ci sono almeno tre modi per testare l’idea.
“Mappe di ionizzazione più dettagliate. Se i tassi di ionizzazione nella CMZ corrispondono alla distribuzione prevista della materia oscura, ciò rafforzerebbe il caso,” ha detto. Un altro modo potrebbe essere cercare emissioni secondarie, ha spiegato Balaji. “Se queste particelle esistono, dovrebbero anche lasciare tracce sottili sotto forma di segnali deboli di raggi gamma o X da processi secondari.”
Balaji ha aggiunto, “I telescopi in arrivo. Il telescopio spaziale COSI della NASA, che dovrebbe essere lanciato nel 2027, sarà sensibile ai processi astrofisici su scala MeV, che potrebbero fornire prove a favore o contro questa ipotesi.”
I positroni possono ionizzare l’idrogeno annichilando l’elettrone, ma in tali casi, l’eccesso di elettroni potrebbe ripristinare la neutralità. Tuttavia, Balaji ha detto a IFLScience che il processo probabile è più complesso. Le coppie hanno molta energia quando vengono create, abbastanza da espellere elettroni dagli atomi attraverso collisioni, con ogni coppia che ionizza diversi atomi di idrogeno prima di perdere abbastanza energia da fermarsi. Pensa a un bambino che urta i tavoli e fa cadere gli oggetti sopra, non a una bomba che li distrugge.
Lo studio è pubblicato su Physical Review Letters.