Nuove Ipotesi e Nuove Ricerche della Missione Fermi sulla Natura della Materia Oscura


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Immagine della Piccola Nube di Magellano sulla quale è stata sovrapposta (a destra) la probabile distribuzione di materia oscura al suo interno. Circa il 90% della materia oscura presente in totale è contenuta entro i limiti del semicerchio calcolato. Credits: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University

La materia oscura – e l’energia oscura – sono attualmente annoverate tra i più grandi rompicapo della scienza. Tuttavia, esperimenti condotti sia a terra che nello spazio hanno permesso di decifrare nuovi indizi, portando gli scienziati a formulare delle teorie innovative, specialmente per quanto riguarda la materia oscura, che interagendo unicamente (o quasi) attraverso la gravità e non assorbendo né emettendo luce non fornisce alcuna indicazione su quale sia la sua natura (nonostante costituisca l’80% della materia presente nell’Universo).

Tra le tante pubblicazioni, tre studi – apparsi all’inizio del 2016 – sono stati costruiti utilizzando approcci del tutto non convenzionali e basandosi sui dati del Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA in quanto i raggi gamma, essendo la forma più energetica di luce esistente, potrebbero rivelare la presenza di alcune particelle di materia oscura. “Abbiamo verificato per i soliti indizi nei soliti posti e non abbiamo trovato nessun segnale utile, quindi abbiamo iniziato a cercare in nuovi modi creativi” spiega Julie McEnery, scienziata del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. “Con questi risultait, Fermi ha escluso molti candidati, ha mostrato che la materia oscura può contribuire solo ad una piccola parte del fondo di raggi gamma al di là della nostra galassia, la Via Lattea, ed ha prodotto delle forti limitazioni per le particelle di materia oscura nella seconda galassia più grande che le orbita attorno.”

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Tipico comportamento della classe di particelle axioni, in grado (in teoria) di tramitarsi in raggi gamma - in viola - e viceversa se sottoposti a forti campi magnetici. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory/Chris Smith

I candidati forse più stravaganti che possano andare a costituire materia oscura sono il gruppo di particelle ipotetiche chiamate axioni (o particelle con proprietà simili): aspetto affascinante degli axioni è che essi – se sottoposti a forti campi magnetici – sarebbero in grado di convertirsi in raggi gamma e ritornare poi allo stato iniziale, comportamento che può essere individuato in caso di pause o cambiamenti repentini nell’emissione di una brillante sorgente di raggi gamma. Lo studio di queste particelle è stato condotto dal Manuel Meyer della Stockholm University, il cui team ha analizzato la galassia centrale dell’ammasso di galassie di Perseo, NGC 1275. I risultati, pubblicati il 20 aprile su Physical Review Letters, hanno escluso un piccolo campione di particelle affini agli axioni che avrebbero potuto costituire circa il 4% della materia oscura.

Un’altra classe di particelle che potrebbe costituire la materia oscura è quella delle Weakly Interacting Massive Particles (WIMP), particelle dotate di una discreta massa. L’ipotesi è che queste particelle, collidendo fra loro, si annichilino o producano un’ulteriore particella con un brevissimo tempo di vita: in entrambi i casi, ogni urto produce raggi gamma che possono essere individuati dal Large Area Telescope (LAT) in dotazione a Fermi. L’ipotesi è stata poi verificata da Regina Caputo della University of California di Santa Cruz, che è andata a caccia di segnali provenienti dalla Piccola Nube di Magellano, la seconda più grande galassia satellite della Via Lattea: i risultati, pubblicati il 22 marzo su Physical Review, mostrano che questa galassia contiene abbastanza materia oscura da poter individuare i segnali di ben due distinti tipi di WIMP. “Il LAT in fondo vede raggi gamma dalla Piccola Nube di Magellano, ma possiamo spiegarli attraverso fonti convenzionali,” racconta Caputo. “Nessun segnale di annichilazione della materia oscura è risultato statisticamente significativo.

Animation showing two images of gamma-ray sky taken by Fermi's Large Area Telescope
L'animazione mostra come appare la distribuzione dell'EGB mettendo insieme dati raccolti in tre mesi ed in sette anni. Credits: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Il terzo studio, pubblicato il 14 Aprile su Physical Review Letters dal team di Marco Ajello presso la Clemson University in South Carolina e di Mattia Di Mauro presso lo SLAC National Accelerator Laboratory in California, non è stato incentrato su uno specifico target astronomico come i precedenti due: in totale sono stati analizzati dati di più di sei anni e mezzo relativi all’emissione di raggi gamma in tutto il cielo. Questa luminescenza di fondo, chiamata extragalactic gamma-ray background (EGB), è di natura incerta, ma proveniente principalmente da sorgenti galattiche molto energetiche come le galassie blazar – che di per sé costituiscono più della metà delle sorgenti di raggi gamma osservate da Fermi.Tuttavia alcuni modelli si ricollegano al comportamento delle particelle WIMP, considerando la loro interazione e annichilazione causa della formazione di EGB a distanze remote. “Rimane sono una piccola finestra per segnali provenienti da sorgenti esotiche nell’EGB, di conseguenza significa che ogni contributo di queste sorgenti dev’essere relativamente piccolo,” spiega Ajello. “Quest’informazione può aiutarci a piazzare dei limiti a quanto spesso le particelle WIMP collidono o decadono.”

Nonostante le ultime ricerche si sono concluse senza alcun indizio schiacciante, la ricerca continua nello spazio come a terra, con il supporto a Fermi da parte dell’Alpha Magnetic Spectrometer, strumento a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.

Giulia Murtas

Fonte: http://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nasas-fermi-mission-expands-its-search-for-dark-matter

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