SEGNALI NON GRAVITAZIONALI DI MATERIA OSCURA

Bagliori di WIMPs nel cielo di Fermi

Misurata da un team italiano – con ricercatori dell’Università di Torino, dell’INFN e dell’INAF – una correlazione significativa fra l’emissione gamma extragalattica, rilevata dal satellite Fermi, e la distribuzione della dark matter così come ricostruita dal catalogo 2MASS

In alto, il cielo gamma osservato da Fermi della NASA. In basso, una delle mappe a tutto cielo della survey 2MASS

In alto, il cielo gamma osservato da Fermi della NASA. In basso, una delle mappe a tutto cielo della survey 2MASS

Vedere la materia oscura. È il sogno impossibile di migliaia di fisici e astronomi. Ma è davvero così impossibile? Forse no. Negli ultimi anni i segnali d’ottimismo si rincorrono sempre più frequenti. E non tanto dai laboratori sotterranei, come quelli sotto al Gran Sasso, dove si cerca d’intrappolare un segnale diretto del passaggio della sfuggente essenza, quanto dal cielo, dove i telescopi per le alte energie, in orbita al di là dell’atmosfera, sperano d’intercettare tracce della sua esistenza. Tracce indirette, d’accordo, ma – ed è questo il punto cruciale – dovute a interazioni non gravitazionali.

Giusto ieri, mentre proprio qui su Media INAF scrivevamo di tali tentativi parlandone al futuro, è giunta – a conferma del fermento che c’è attorno a queste linee di ricerca – la notizia che un team di ricercatori potrebbe già esserci riuscito. Un team quasi tutto italiano: lavorano infatti fra Università di Torino, INFN e INAF cinque dei sei autori della ricerca, appena accettata per la pubblicazione su Physical Review Letters.

Ma cosa hanno visto? Proviamo per un istante a immagine la materia oscura come una sorta di Donna invisibile di marvelliana memoria, che appunto non si vede ma c’è. Così come la Sue dei Fantastici Quattro, alzandosi dal cuscino del divano, lascia comunque un leggero affossamento, segno inequivocabile della sua esistenza, allo stesso modo la materia oscura imprime la sua orma gravitazionale sul tessuto dello spaziotempo. Ebbene, se per ipotesi la Donna invisibile non fosse poi invisibile al cento per cento, se lasciasse una pur flebile traccia – un’ombra, un riflesso – anche nel dominio del visibile, non potremmo essere in grado di cogliere qualche variazione, per quanto impalpabile, in corrispondenza dell’affossarsi e rigonfiarsi dell’imbottitura?

Fuor di metafora, si sono detti gli autori dello studio, guidati da Marco Regis dell’Università di Torino e dell’INFN, se la dark matter è fatta di particelle accoppiate non gravitazionalmente alla materia ordinaria, la loro annichilazione o il loro decadimento potrebbe dare origine a una radiazione rilevabile. Un segnale elettromagnetico, dunque, che i ricercatori hanno cercato di isolare correlando un tracciante del potenziale gravitazionale della materia oscura – l’affossamento del cuscino, nel loro caso il catalogo di sorgenti celesti 2MASS – con il cielo a raggi gamma osservato dallo strumento LAT del telescopio spaziale Fermi della NASA.

Ebbene, come descrive l’articolo, per la prima volta questa correlazione è emersa in modo significativo. «Il risultato ottenuto», scrivono Regis e colleghi, «è intrigante: abbiamo dimostrato che questa emissione gamma può essere spiegata assumendo che la materia oscura sia costituita da particelle debolmente interagenti». In particolare, particelle come le cosiddette WIMP, per le quali lo studio arriva a suggerire un intervallo di valori di massa compreso fra i 10 e i 100 GeV.

Ora, l’idea era già nell’aria da qualche tempo, vi avevamo fatto cenno anche su Media INAF sempre a proposito di dati raccolti da Fermi, per esempio. In quel caso, però, si trattava d’emissioni di origine galattica, mentre questa volta è stata isolata la radiazione gamma residua – dopo aver utilizzato la mappa di 2MASS anche come filtro per sottrarre il segnale da sorgenti astrofisiche – proveniente da regioni extragalattiche. E se intercettare segnali di WIMP da galassie nane o dal centro della Via Lattea era fin dalle origini uno fra gli obiettivi principali della missione Fermi, cercarli al di fuori del Gruppo Locale rappresenta un approccio per molti aspetti inedito. «L’idea è relativamente recente, ci è venuta due o tre anni fa. Almeno a me, personalmente, l’intuizione è venuta ascoltando un seminario sulle lenti gravitazionali», ricorda Regis ai microfoni di Media iNAF.

E rispetto allo studio del quale abbiamo dato conto ieri? «Nel lavoro sugli ammassi pubblicato mercoledì scorso su Physical Review D», spiega Matteo Viel dell’Osservatorio di Trieste, uno dei due coautori INAF (l’altro è Enzo Branchini dell’Osservatorio di Roma) della ricerca condotta con Regis, «i ricercatori studiano la rivelazione indiretta di materia oscura (nelle bande gamma e X) in un ambiente peculiare, ammassi di galassie che vanno incontro al cosiddetto “merging”. Da un lato il loro segnale è più facile da interpretare rispetto al nostro, in quanto la separazione tra materia oscura e barioni è molto netta, ma dall’altro purtroppo il segnale è tipicamente molto più debole di quello che noi investighiamo. Studi di cross-correlazione come quello da noi sviluppato sfruttano la materia oscura da un punto di vista statistico: anche se il segnale proveniente da un singolo ambiente cosmico è molto piccolo, l’effetto cumulativo e la coerenza spaziale del segnale potrebbero essere misurabili. Pertanto il nostro metodo è molto sensibile, potenzialmente molto meno influenzato da sistematiche strumentali e modellistiche, e permette di poter apprezzare un eventuale segnale prima di altre tecniche».

Per saperne di più: