Nel recente passato, le missioni spaziali dedicate allo studio dei segnali astrofisici nello spettro delle alte energie hanno rivelato una serie di enigmatici eccessi non previsti dai modelli teorici. Per trovare una spiegazione a queste anomalie, sono state proposte molte soluzioni. L'ipotesi più eccitante invoca il contributo della sfuggente materia oscura, la misteriosa forma della materia quattro volte più abbondante della materia barionica, e di cui gli scienziati hanno finora rilevato solo effetti gravitazionali.

Due recenti studi teorici realizzati da Mattia di Mauro, ricercatore della divisione torinese dell'INFN, uno dei quali è apparso oggi in Revisione fisica D , confermare che questa spiegazione è compatibile con gli eccessi misurati, dimostrando ulteriormente che non è smentito da potenziali discrepanze tra dati teorici e osservativi. I risultati ottenuti si basano su un'analisi innovativa e raffinata che confronta i dati acquisiti negli ultimi 11 anni dallo strumento principale a bordo del Fermi della NASA, il telescopio di grande area di Fermi (LAT), con misurazioni di altre anomalie astronomiche registrate dal rivelatore orbitante Pamela e dall'esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Pamela e AMS sono gestite da collaborazioni internazionali in cui l'INFN gioca un ruolo determinante.

A partire dal 2009, l'anno in cui le misurazioni di Fermi hanno mostrato un surplus di fotoni con energie pari o superiori a 1 GeV (2000 volte la massa di un elettrone) provenienti dal centro della nostra galassia, la comunità degli astrofisici ha cercato di spiegare le osservazioni in diversi modi, inclusa la possibile presenza di migliaia di deboli pulsar vicino al centro galattico e il potenziale contributo di raggi gamma fornito dalla materia oscura. Queste analisi erano soggette a grande incertezza poiché facevano riferimento a modelli del cosiddetto fondo astrofisico di raggi gamma, prodotta dai raggi cosmici o da sorgenti note, quale, pur in grado di includere una certa variabilità, sono soggetti a grandi errori.

Per descrivere più precisamente le proprietà di eccesso di raggi gamma e valutare se è realmente compatibile con la materia oscura, il nuovo studio si è basato sulla più ampia serie di dati raccolti nell'ultimo anno dal LAT, e ha utilizzato una tecnica di analisi che riduce al minimo le incertezze del background astrofisico adottando più modelli. "La metodologia di analisi utilizzata, " spiega Mattia di Mauro, "ha fornito informazioni molto rilevanti sulla distribuzione spaziale della radiazione gamma in eccesso, che può spiegare cosa genera l'eccesso di fotoni ad alta energia nel centro galattico. Se l'eccesso fosse, Per esempio, causato dall'interazione tra i raggi cosmici e gli atomi, ci aspetteremmo di osservare la sua maggiore distribuzione spaziale a energie inferiori e la sua minore diffusione a energie superiori a causa della propagazione delle particelle cosmiche. Il mio studio, d'altra parte, sottolinea come la distribuzione spaziale dell'eccesso non cambi in funzione dell'energia. Questo aspetto non era mai stato osservato prima e potrebbe essere spiegato dall'interpretazione della materia oscura sulla presenza di materia oscura. Questo perché pensiamo che le particelle che compongono l'alone di materia oscura dovrebbero avere energie simili. L'analisi mostra chiaramente che l'eccesso di raggi gamma è concentrato nel centro galattico, esattamente quello che ci aspetteremmo di trovare nel cuore della Via Lattea se la materia oscura fosse in effetti un nuovo tipo di particella".

Un secondo studio, che sarà pubblicato nella stessa rivista, esamina la validità dell'ipotesi della materia oscura utilizzando le previsioni di un modello più ampio che descrive le possibili interazioni tra particelle di questa sfuggente componente dell'universo. Un modello teorico ha dimostrato come l'esistenza di particelle di materia oscura non sia smentita da altre anomalie registrate sullo sfondo astrofisico. Questi includono l'eccesso di positroni misurato da Pamela e AMS-02, se attribuito ad un surplus di materia oscura, e il mancato rilevamento di fotoni ad alta energia da galassie nane vicine alla nostra, i cui moti stellari implicano la presenza di elevate concentrazioni di materia oscura.

Di Mauro dice, "Partendo dal modello fisico sviluppato in questo secondo studio, dopo aver considerato diversi risultati per l'interazione e l'annichilazione delle particelle di materia oscura, alternative che precederebbero la produzione di fotoni ad alta energia, abbiamo verificato quale di queste possibilità si accordava meglio con i raggi gamma in eccesso del centro galattico, considerando anche il surplus di positroni e la mancata rilevazione dei raggi gamma dalle galassie nane. Questo confronto ha permesso di ricavare accurate proprietà della materia oscura, proprietà compatibili con l'eccesso del centro galattico e i limiti superiori trovati con altri dati di particelle."