Un misterioso bagliore di raggi gamma al centro della Via Lattea è molto probabilmente causato dalle pulsar:l'incredibilmente denso, nuclei in rapida rotazione di antiche stelle collassate che erano fino a 30 volte più massicce del sole. Questa è la conclusione di una nuova analisi di un team internazionale di astrofisici, compresi i ricercatori del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia. I risultati mettono in dubbio le precedenti interpretazioni del segnale come un potenziale segno di materia oscura, una forma di materia che rappresenta l'85% di tutta la materia nell'universo ma che finora è sfuggita al rilevamento.

"Il nostro studio mostra che non abbiamo bisogno della materia oscura per comprendere le emissioni di raggi gamma della nostra galassia, " ha affermato Mattia Di Mauro del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un istituto congiunto della Stanford University e SLAC. "Anziché, abbiamo identificato una popolazione di pulsar nella regione intorno al centro galattico, che getta nuova luce sulla storia della formazione della Via Lattea".

Di Mauro ha condotto l'analisi per la Collaborazione Fermi LAT, un team internazionale di ricercatori che ha osservato il bagliore con il Large Area Telescope (LAT) del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, che è in orbita attorno alla Terra dal 2008. Il LAT - un "occhio" sensibile per i raggi gamma, la forma di luce più energica – è stata concepita e assemblata allo SLAC, che ospita anche la sua centrale operativa.

I risultati della collaborazione, presentato a The Giornale Astrofisico per la pubblicazione, sono disponibili come prestampa.

Un misterioso bagliore

La materia oscura è uno dei più grandi misteri della fisica moderna. I ricercatori sanno che la materia oscura esiste perché piega la luce proveniente da galassie lontane e influenza il modo in cui ruotano le galassie. Ma non sanno di che sostanza è fatta. La maggior parte degli scienziati crede che sia composto da particelle ancora da scoprire che non interagiscono quasi mai con la materia normale se non attraverso la gravità, rendendo molto difficile rilevarli.

Un modo in cui gli strumenti scientifici possono intravedere particelle di materia oscura è quando le particelle decadono o si scontrano e si distruggono a vicenda. "Teorie ampiamente studiate prevedono che questi processi produrrebbero raggi gamma, " disse Seth Digel, capo del gruppo Fermi di KIPAC. "Cerchiamo questa radiazione con il LAT in regioni dell'universo ricche di materia oscura, come il centro della nostra galassia."

Precedenti studi hanno infatti dimostrato che ci sono più raggi gamma provenienti dal centro galattico del previsto, alimentando alcuni articoli scientifici e resoconti dei media che suggeriscono che il segnale potrebbe suggerire particelle di materia oscura a lungo ricercate. Però, i raggi gamma sono prodotti in una serie di altri processi cosmici, che deve essere escluso prima di poter trarre qualsiasi conclusione sulla materia oscura. Ciò è particolarmente impegnativo perché il centro galattico è estremamente complesso, e gli astrofisici non conoscono tutti i dettagli di quello che sta succedendo in quella regione.

La maggior parte dei raggi gamma della Via Lattea ha origine nel gas tra le stelle che è illuminato dai raggi cosmici - particelle cariche prodotte in potenti esplosioni stellari, chiamate supernove. Questo crea un bagliore di raggi gamma diffuso che si estende in tutta la galassia. I raggi gamma sono prodotti anche da resti di supernova, pulsar - stelle collassate che emettono "raggi" di raggi gamma come fari cosmici - e oggetti più esotici che appaiono come punti di luce.

"Due studi recenti condotti da squadre negli Stati Uniti e nei Paesi Bassi hanno dimostrato che l'eccesso di raggi gamma al centro galattico è macchiato, non liscio come ci aspetteremmo per un segnale di materia oscura, " ha detto Eric Charles di KIPAC, che ha contribuito alla nuova analisi. "Questi risultati suggeriscono che le macchioline potrebbero essere dovute a sorgenti puntiformi che non possiamo vedere come sorgenti individuali con il LAT perché la densità delle sorgenti di raggi gamma è molto alta e il bagliore diffuso è più luminoso al centro galattico".

Resti di antiche stelle

Il nuovo studio porta le analisi precedenti al livello successivo, dimostrando che il segnale di raggi gamma maculato è coerente con le pulsar.

"Considerando che circa il 70% di tutte le sorgenti puntiformi nella Via Lattea sono pulsar, erano i candidati più probabili, Di Mauro ha detto. “Ma abbiamo usato una delle loro proprietà fisiche per arrivare alla nostra conclusione. Le pulsar hanno spettri molto distinti, cioè le loro emissioni variano in modo specifico con l'energia dei raggi gamma che emettono. Usando la forma di questi spettri, siamo stati in grado di modellare correttamente il bagliore del centro galattico con una popolazione di circa 1, 000 pulsar e senza introdurre processi che coinvolgono particelle di materia oscura."

Il team sta ora pianificando studi di follow-up con radiotelescopi per determinare se le sorgenti identificate emettono la loro luce come una serie di brevi impulsi luminosi, il marchio che dà il nome alle pulsar.

Le scoperte nell'alone di stelle intorno al centro della galassia - la parte più antica della Via Lattea - rivelano anche dettagli sull'evoluzione della nostra casa galattica, proprio come i resti antichi insegnano agli archeologi sulla storia umana.

"Le pulsar isolate hanno una vita media di 10 milioni di anni, che è molto più breve dell'età delle stelle più antiche vicino al centro galattico, " Charles ha detto. "Il fatto che possiamo ancora vedere i raggi gamma dalla popolazione di pulsar identificata oggi suggerisce che le pulsar sono in sistemi binari con stelle compagne, da cui lisciviano energia. Questo estende enormemente la vita delle pulsar."

La materia oscura rimane inafferrabile

I nuovi risultati si aggiungono ad altri dati che mettono in discussione l'interpretazione dell'eccesso di raggi gamma come segnale di materia oscura.

"Se il segnale fosse dovuto alla materia oscura, ci aspetteremmo di vederlo anche al centro di altre galassie, " Digel ha detto. "Il segnale dovrebbe essere particolarmente chiaro nelle galassie nane in orbita attorno alla Via Lattea. Queste galassie hanno pochissime stelle, in genere non hanno pulsar e sono tenuti insieme perché hanno molta materia oscura. Però, non vediamo alcuna emissione di raggi gamma significativa da loro."

I ricercatori ritengono che un forte bagliore di raggi gamma scoperto di recente al centro della galassia di Andromeda, la galassia maggiore più vicina alla Via Lattea, può anche essere causato da pulsar piuttosto che da materia oscura.

Ma l'ultima parola potrebbe non essere stata detta. Sebbene il team Fermi-LAT abbia studiato una vasta area di 40 gradi per 40 gradi attorno al centro galattico della Via Lattea (il diametro della luna piena è di circa mezzo grado), l'altissima densità di sorgenti nei quattro gradi più interni rende molto difficile vedere quelle individuali ed escludere un liscio, distribuzione dei raggi gamma simile alla materia oscura, lasciando uno spazio limitato per nascondere i segnali della materia oscura.

Questo lavoro è stato finanziato dalla NASA e dal DOE Office of Science, così come agenzie e istituti in Francia, Italia, Giappone e Svezia.