Molte importanti scoperte in astronomia sono iniziate con segnali che non avevano una spiegazione: pulsar, quasar e radiazione cosmica di fondo a microonde sono solo tre esempi. Quando gli astronomi di recente hanno scoperto raggi X senza una chiara origine, è emersa un'ipotesi eccitante. Potrebbe essere un segnale della materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce l'85 per cento della materia dell'universo. Se fosse così, la natura delle particelle di cui è costituita sarebbe diversa da quella prevista dagli attuali modelli teorici predominanti.

L'anomala radiazione X, rilevata dal telescopio spaziale XMM–Newton dell'Agenzia spaziale europea (ESA), ha origine da due sorgenti diverse: la galassia di Andromeda e l'ammasso di galassie di Perseo. Ora la sfida è determinare che cosa abbia prodotto questi raggi X, come descritto in uno studio pubblicato il mese scorso sulle “Physical Review Letters”. (Si veda anche un precedente studio sull'“Astrophysical Journal”).

Il segnale è reale ma è debole, e gli astronomi devono ora determinare se è fuori dall'ordinario o ha una spiegazione ordinaria. Se questo fosse possibile, gli astronomi potrebbero stabilire il lavoro da farsi per identificare quale tipo di materia oscura potrebbe essere responsabile del segnale. “Se in definitiva l'emissione è dovuta alla materia oscura, le implicazioni sono profonde”, ha scritto Kevork Abazajian, astrofisico dell'Università della California a Irvine, in un commento pubblicato il 15 dicembre 2014 sulle “Physical Review Letters”.

Se questa osservazione vi suona familiare, è perché i ricercatori che usano il telescopio spaziale Fermi della NASA hanno rilevato vicino al centro della Via Lattea raggi gamma anomali, interpretati da qualcuno come particelle di materia oscura che collidono tra loro e si annichilano. La differenza tra le osservazioni di Fermi e quelle di XMM–Newton riguarda l'energia della luce coinvolta, che è collegata alle masse delle ipotetiche particelle di materia oscura da cui sarebbe stata generata. I raggi gamma di Fermi sono oltre un milione di volte più energetici rispetto ai raggi X, così le particelle che avrebbero creato i raggi gamma sarebbero più massicce di un protone. 

I raggi X, d'altra parte, dovrebbero essere generati da particelle molto più leggere di un elettrone. In particolare, i raggi X hanno un'energia di circa 3,5 chiloelettronvolt, corrispondenti a meno di un centesimo della massa dell'elettrone. Tuttavia, se quello rilevato da XMM–Newton è segnale di materia oscura, potrebbe non essere dovuto alle particelle massicce debolmente interagenti (WIMP), che nel ruolo di costituenti della materia oscura sono le candidate più popolari tra i ricercatori.

Altre potenziali particelle di materia oscura potrebbero essere i neutrini sterili, cioè i cugini più pesanti dei tipi prodotti in molte reazioni nucleari, oppure particelle più esotiche come gli assioni, previsti originariamente per risolvere un problema nella fisica delle particelle elementari non collegato alla materia oscura. Entrambe le particelle rimangono ipotetiche, ma se esistessero, sarebbero assai meno massicce degli elettroni.

Se i colpevoli fossero neutrini sterili, avrebbero masse leggermente più grandi rispetto all'energia dei fotoni dei raggi X. Questi neutrini decadono nei ben noti neutrini standard, mentre il resto della loro massa viene convertita in raggi X “leggeri”, gli stessi del segnale rilevato da XMM–Newton. Questa idea, tuttavia, presenta alcuni problemi: non ci sono raggi X equivalenti nella Via Lattea e altri esperimenti a caccia di neutrini sterili non hanno portato a nulla.

Gli assioni, al contrario, sono stabili, ma si trasformano in fotoni in presenza di campi magnetici intensi. Poiché le galassie e gli ammassi di galassie generano un magnetismo molto intenso, sono i principali candidati produttori di assioni. Le particelle (tecnicamente "particelle simili agli assioni") richieste per produrre i raggi X anomali avrebbero massa maggiore rispetto agli assioni tipici, ma entro limiti permessi da alcune teorie.

Il problema principale è che è molto difficile escludere altre possibili sorgenti di raggi X. Gli atomi emettono luce di specifiche energie in funzione della configurazione dei loro elettroni, ma i fisici non hanno identificato tutte queste energie, specialmente per raggi X. In altre parole, è possibile che questo segnale non identificato possa essere solo una nuova riga di emissione di atomi ordinari o di plasma ad alta temperatura. Come ha scritto Adam Falkowski fisico delle particelle del CNRS-Università di Parigi Sud, accettare o meno la spiegazione della materia oscura dipende da come è modellata l'emissione del plasma: “Sembra che il diavolo si nasconda nei dettagli, il che non è rassicurante”.

Gli autori dell'ultimo studio ritengono che l'ipotesi del plasma non sia probabile, poiché la Via Lattea ne contiene una quantità relativamente piccola.
Un altro problema è che sembra non esserci corrispondenza tra il punto in cui i raggi X sono emessi e le mappe della distribuzione della massa negli ammassi di galassie che suggeriscono dove la materia oscura si nasconde.

Un osservatorio per raggi X dell'Agenzia spaziale giapponese chiamato Astro-H, il cui lancio è previsto per quest'anno, avrà strumenti di precisione sufficiente a distinguere tra emissioni atomiche e firme della materia oscura. E avere più dati è sempre meglio; scoprire altre galassie e ammassi di galassie, specialmente quelle più lontane, con lo stesso tipo di emissione X potrebbe limitare le possibilità in gioco.

Infine, gli astronomi devono cercare di riconciliare un annuncio importante come la rilevazione della materia oscura, con un segnale astronomico relativamente debole, che potrebbe avere diverse spiegazioni ordinarie. “Penso che le persone che prendono risultati deboli e cercano di 'cavalcarli' vanno incontro a guai”, dice Leslie Rosenberg, fisico delle particelle dell'Università di Washington, commentando l'ipotesi degli assioni. Per come stanno le cose, c'è una bella differenza tra un segnale di raggi X anomali e la rilevazione definitiva della materia che dovrebbe costituire la gran parte della massa dell'universo. Come per qualunque importante scoperta, per ora è meglio non lanciarsi in affermazioni troppo rischiose.

(La versione originale di questo articolo è apparsa su Scientificamerican.com il 26 gennaio 2015. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)