I raggi gamma che provengono dal centro della Via Lattea potrebbero essere il risultato di particelle di materia oscura che si scontrano, affermano alcuni ricercatori. Se così fosse, il segnale, raccolto dal telescopio spaziale Fermi della NASA, rappresenterebbe la prima rilevazione indiretta delle particelle che costituiscono la materia oscura, la sfuggente sostanza che compone la maggior parte della materia nell'universo.

Secondo la teoria, la quantità di materia oscura supera di gran lunga quella della materia ordinaria, di cui sono fatte le stelle, le galassie e noi stessi, ma la sua rilevazione diretta finora è sempre rimasta fuori portata. Già in precedenza, Fermi aveva individuato indizi di materia oscura, ma la nuova analisi ha mostrato una prova più convincente, poiché il tipo di segnale non può essere spiegato invocando altri fenomeni galattici. Inoltre, se fosse effettivamente dovuto a materia oscura, il segnale sarebbe l'indizio dell'esistenza di un nuovo tipo di particella subatomica e forse anche di una nuova forza nell'universo. “Lo considero attualmente il più probabile segnale dovuto alla materia oscura", ha commentato il fisico Rafael Lang della Purdue University, che non era coinvolto nello studio, nel corso del convegno dell'American Physical Society, tenutosi di recente.

È possibile, tuttavia, che questo interessante segnale luminoso abbia un'origine più banale, per esempio una delle stelle in rapida rotazione chiamate pulsar. “Ritengo che sia un possibile segnale di materia oscura, ma da solo non può bastare a convincere la comunità scientifica che si tratti effettivamente di quello", ha detto Tracy Slatyer del Massachusetts Institute of Technology, uno dei coautori dello studio, presentato per la pubblicazione alla rivista “Physical Review D”.

Secondo una delle teorie più accreditate, la materia oscura sarebbe composta da particelle massicce debolmente interagenti (WIMP, weakly interacting massive particles), previste per via teorica ma finora mai rilevate per via sperimentale. In base a questo modello, le antiparticelle delle WIMP sarebbero anch'esse di tipo WIMP, e perciò tenderebbero ad annichilarsi in seguito a reciproche collisioni, così come fanno normalmente le particelle di materia e di antimateria. Queste annichilazioni di WIMP produrrebbero particelle di materia normale, che a loro volta creerebbero fotoni ad alta energia, cioè particelle di luce, che potremmo vedere.

Poiché al centro della Via Lattea la materia oscura dovrebbe essere più densa, è il posto migliore per cercare le annichilazioni. Il telescopio Fermi scruta il cielo alla ricerca di raggi gamma ad alta energia, e l'ultima analisi mostra in modo inequivocabile che dal centro della nostra galassia proviene più luce del previsto. Le analisi precedenti non arrivavano a conclusioni definitive, ma Slatyer e colleghi hanno rilevato un forte segnale considerando solo i fotoni di cui Fermi poteva accertare un'origine, eliminando cioè i fotoni la cui direzione era incerta.

In questo insieme di dati più limitato, Fermi mostra un eccesso di fotoni sparsi in modo uniforme in una sfera che si estende per almeno 5000 anni luce dal centro della Via Lattea. Questi fotoni hanno energie tra un miliardo a tre miliardi di elettronvolt (GeV), il che li rende circa un miliardo di volte più energetici della luce visibile. “Il dato da sottolineare è che si tratta di un segnale pressoché simmetrico, composto da circa 10.000 fotoni” oltre il numero previsto, spiega Blas Cabrera, fisico della Stanford University che partecipa alla Cryogenic Dark Matter Search, uno dei numerosi esperimenti sotterranei attualmente alla ricerca di rari casi di particelle di materia oscura che interagiscono con le particelle di materia ordinaria.

Slatyer e colleghi hanno calcolato che, se il segnale fosse stato effettivamente originato da materia oscura, le elusive particelle dovrebbero avere una massa di circa 30-35 volte la massa di un protone, cioè da 30 a 35 GeV. Questa stima incuriosisce Cabrera, secondo cui quelle particelle dovrebbero essere già state trovate in esperimenti di rivelazione diretta. “Abbiamo già calibrato gli strumenti in modo da avere la massima sensibilità nel range dei 30 GeV”, spiega. Una particella di quella massa potrebbe essere stata trovata dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, in Svizzera. “Se quella che stiamo vedendo nella parte più interna della galassia è effettivamente materia oscura, allora il fatto che non la stiamo vedendo negli esperimenti dell'LHC o nelle rilevazioni dirette ci sta già dicendo qualcosa di molto interessante sulle sue interazioni”.

Per esempio, la teoria prevede che le particelle di materia oscura interagiscano con le particelle normali scambiando un bosone Z o un bosone di Higgs, che sono associati, rispettivamente, alla forza debole e al meccanismo che conferisce alle particelle la loro massa. Ma se la massa della particella della materia oscura fosse effettivamente intorno a 30 GeV, gli esperimenti di rivelazione diretta avrebbero già dovuto vedere queste interazioni.

Una possibilità è che la materia oscura interagisca tramite un nuovo tipo di particella intermedia, oltre al bosone Z o e al bosone di Higgs, associata a una misteriosa quinta forza fondamentale. “Sarebbe davvero incredibile se, scoprendo la materia oscura, trovassimo anche una nuova forza della natura”, aggiunge Slatyer.

Il segnale di Fermi, tuttavia, potrebbe non essere affatto dovuto a materia oscura. La luce in eccesso potrebbe provenire da una pulsar che ruota su se stessa così in fretta da compiere una rotazione completa ogni millesimo di secondo. Si pensa che i campi magnetici delle stelle possano accelerare particelle cariche fino a quasi la velocità della luce; queste a loro volta emettono fotoni ad alta energia nelle lunghezze d'onda dei raggi gamma.

Questa spiegazione, tuttavia, presenta alcuni problemi. “Le pulsar a millisecondi producono più raggi gamma a energie più basse (al di sotto di circa un GeV) rispetto all'emissione osservata dal centro galattico”, spiega l'esperto di pulsar Slavko Bogdanov della Columbia University. Inoltre, le singole pulsar identificate dalle osservazioni di Fermi non sono in numero sufficiente da spiegare la luce osservata. “Dovrebbe essere un tipo di pulsar che non conosciamo”, ha aggiunto Kevork Abazajian, astronomo dell'Università della California a Irvine, che ha studiato il segnale Fermi in modo indipendente. E si tratta di una possibilità concreta, come spiega Abazajian: “È più facile pensare a una nuova classe di pulsar che a un nuovo tipo di materia”.

Una conferma definitiva si avrebbe se si vedesse lo stesso eccesso di raggi gamma provenire da alcune delle decine di galassie nane che orbitano attorno alla Via Lattea. Si ritiene infatti che questi oggetti siano particolarmente densi di materia oscura: se essa si annichila, dovrebbe farlo anche lì. Le galassie nane note emettono una luce debole e sono difficili da studiare; inoltre, finora nessuna di esse ha mostrato chiaramente un eccesso di radiazione.

Nuovi osservatori che saranno presto operativi potrebbero scoprire nuove galassie nane da osservare. "Se nelle galassie satelliti della Via Lattea fosse presente lo stesso eccesso di radiazione e con l'intensità di segnale attesa, sarebbe una prova convincente  che stiamo vedendo raggi gamma che si originano dall'annichilazione della materia oscura”, spiega Manoj Kaplinghat,  dell'Università della California a Irvine, che collabora con Abazajian a uno studio indipendente del segnale di Fermi. "Certo, una  rilevazione diretta convincente della materia oscura in uno dei nostri laboratori sotterranei sarebbe un elemento decisivo”.

(La versione originale di questo articolo è apparsa su Scientificamerican.com l'8 aprile. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)