Un'interpretazione innovativa dei dati dei raggi X provenienti da un ammasso di galassie potrebbe aiutare gli scienziati a compiere una ricerca che hanno intrapreso da decenni:determinare la natura della materia oscura.

La scoperta implica una nuova spiegazione per una serie di risultati ottenuti con l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, XMM-Newton e Hitomi dell'ESA, un telescopio a raggi X a guida giapponese. Se confermato con osservazioni future, questo può rappresentare un importante passo avanti nella comprensione della natura del misterioso, sostanza invisibile che costituisce circa l'85% della materia nell'universo.

"Ci aspettiamo che questo risultato sia estremamente importante o un totale disastro, ", ha detto Joseph Conlon dell'Università di Oxford, che ha guidato il nuovo studio. "Non credo che ci sia un punto a metà quando si cercano risposte a una delle più grandi domande della scienza".

La storia di questo lavoro è iniziata nel 2014 quando un team di astronomi guidato da Esra Bulbul (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, Mass.) ha trovato un picco di intensità a un'energia molto specifica nelle osservazioni di Chandra e XMM-Newton del gas caldo nell'ammasso di galassie Perseus.

Questo picco, o linea di emissione, è ad un'energia di 3,5 kiloelettronvolt (keV). L'intensità della riga di emissione da 3,5 keV è molto difficile se non impossibile da spiegare in termini di caratteristiche osservate o previste in precedenza da oggetti astronomici, e quindi è stata suggerita un'origine della materia oscura. Bulbul e colleghi hanno anche riportato l'esistenza della linea da 3,5 keV in uno studio su altri 73 ammassi di galassie utilizzando XMM-Newton.

La trama di questo racconto sulla materia oscura si è infittita quando solo una settimana dopo che il team di Bulbul ha presentato il proprio articolo a un gruppo diverso, guidato da Alexey Boyarsky dell'Università di Leiden nei Paesi Bassi, ha riportato prove di una riga di emissione a 3,5 keV nelle osservazioni XMM-Newton della galassia M31 e della periferia dell'ammasso Perseus, confermando il Bulbul et al. risultato.

Però, questi due risultati erano controversi, con altri astronomi che in seguito hanno rilevato la linea da 3,5 keV durante l'osservazione di altri oggetti, e alcuni non riescono a rilevarlo.

Il dibattito sembrava essere risolto nel 2016 quando Hitomi ha progettato appositamente per osservare caratteristiche dettagliate come l'emissione di righe negli spettri di raggi X delle sorgenti cosmiche, non è riuscito a rilevare la linea da 3,5 keV nel cluster Perseus.

"Si potrebbe pensare che quando Hitomi non ha visto la linea da 3,5 keV, avremmo semplicemente gettato la spugna per questa linea di indagine, " ha detto la coautrice Francesca Day, anche da Oxford. "Anzi, qui è dove, come in ogni buona storia, si è verificato un interessante colpo di scena."

Conlon e colleghi hanno notato che il telescopio Hitomi aveva immagini molto più sfocate di Chandra, quindi i suoi dati sull'ammasso Perseus sono in realtà costituiti da una miscela dei segnali di raggi X da due sorgenti:una componente diffusa di gas caldo che avvolge la grande galassia al centro dell'ammasso e l'emissione di raggi X vicino al buco nero supermassiccio in questa galassia. La visione più nitida di Chandra può separare il contributo delle due regioni. Capitalizzando su questo, Bulbul et al. isolato il segnale a raggi X dal gas caldo rimuovendo le sorgenti puntiformi dalla loro analisi, compresi i raggi X provenienti da materiale vicino al buco nero supermassiccio.

Per verificare se questa differenza fosse importante, il team di Oxford ha rianalizzato i dati di Chandra da vicino al buco nero al centro dell'ammasso di Perseus preso nel 2009. Hanno trovato qualcosa di sorprendente:prove di un deficit piuttosto che di un surplus di raggi X a 3,5 keV. Ciò suggerisce che qualcosa in Perseo sta assorbendo i raggi X a questa esatta energia. Quando i ricercatori hanno simulato lo spettro Hitomi aggiungendo questa linea di assorbimento alla linea di emissione del gas caldo vista con Chandra e XMM-Newton, non hanno trovato prove nello spettro sommato per l'assorbimento o l'emissione di raggi X a 3,5 keV, coerente con le osservazioni di Hitomi.

La sfida è spiegare questo comportamento:rilevare l'assorbimento della luce dei raggi X quando si osserva il buco nero e l'emissione della luce dei raggi X alla stessa energia quando si guarda il gas caldo ad angoli maggiori di distanza dal buco nero.

Infatti, tale comportamento è ben noto agli astronomi che studiano stelle e nubi di gas con telescopi ottici. La luce di una stella circondata da una nube di gas mostra spesso linee di assorbimento prodotte quando la luce delle stelle di un'energia specifica viene assorbita dagli atomi nella nube di gas. L'assorbimento spinge gli atomi da uno stato energetico basso a uno alto. L'atomo ritorna rapidamente allo stato di bassa energia con l'emissione di luce di un'energia specifica, ma la luce è riemessa in tutte le direzioni, producendo una perdita netta di luce all'energia specifica, una linea di assorbimento, nello spettro osservato della stella. In contrasto, un'osservazione di una nuvola in una direzione lontana dalla stella rileverebbe solo la riemessa, o luce fluorescente ad un'energia specifica, che si presenterebbe come una linea di emissione.

Il team di Oxford suggerisce nel loro rapporto che le particelle di materia oscura possono essere come gli atomi con due stati energetici separati da 3,5 keV. Se è così, potrebbe essere possibile osservare una linea di assorbimento a 3,5 keV osservando ad angoli vicini alla direzione del buco nero, e una linea di emissione quando si guarda il gas caldo a grappolo a grandi angoli di distanza dal buco nero.

"Questo non è un quadro semplice da dipingere, ma è possibile che abbiamo trovato un modo sia per spiegare gli insoliti segnali a raggi X provenienti da Perseo sia per scoprire un indizio su cosa sia effettivamente la materia oscura, " ha detto il co-autore Nicholas Jennings, anche di Oxford.

Per scrivere il prossimo capitolo di questa storia, gli astronomi avranno bisogno di ulteriori osservazioni dell'ammasso Perseo e di altri simili. Per esempio, sono necessari più dati per confermare la realtà del calo ed escludere una possibilità più banale, vale a dire che abbiamo una combinazione di un effetto strumentale inaspettato e un tuffo statisticamente improbabile nei raggi X a un'energia di 3,5 keV. Chandra, XMM-Newton e le future missioni a raggi X continueranno ad osservare gli ammassi per affrontare il mistero della materia oscura.

Un documento che descrive questi risultati è stato pubblicato in Revisione fisica D il 19 dicembre, 2017 e una prestampa è disponibile online.