I fisici del MIT stanno riaccendendo la possibilità, che prima avevano spento, che una brillante esplosione di raggi gamma al centro della nostra galassia potrebbe essere il risultato della materia oscura, dopotutto.

Per anni, i fisici hanno saputo di un misterioso surplus di energia al centro della Via Lattea, sotto forma di raggi gamma, le onde più energetiche dello spettro elettromagnetico. Questi raggi sono tipicamente prodotti dal più caldo, gli oggetti più estremi dell'universo, come supernova e pulsar.

I raggi gamma si trovano attraverso il disco della Via Lattea, e per la maggior parte i fisici ne comprendono le fonti. Ma c'è un bagliore di raggi gamma al centro della Via Lattea, noto come eccesso del centro galattico, o GCE, con proprietà difficili da spiegare per i fisici, dato ciò che sanno sulla distribuzione delle stelle e dei gas nella galassia.

Ci sono due possibilità principali per ciò che potrebbe produrre questo eccesso:una popolazione ad alta energia, stelle di neutroni in rapida rotazione note come pulsar, o, più seducente, una nube concentrata di materia oscura, collidendo con se stesso per produrre un eccesso di raggi gamma.

Nel 2015, un team del MIT-Princeton University, tra cui il professore associato di fisica Tracy Slatyer e i postdoc Benjamin Safdi e Wei Xue, è sceso a favore delle pulsar. I ricercatori avevano analizzato le osservazioni del centro galattico riprese dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, utilizzando un "modello di sfondo" che hanno sviluppato per descrivere tutte le interazioni delle particelle nella galassia che potrebbero produrre raggi gamma. hanno concluso, piuttosto definitivamente, che il GCE era molto probabilmente il risultato di pulsar, e non materia oscura.

Però, nel nuovo lavoro, guidato dalla postdoc del MIT Rebecca Leane, Da allora Slatyer ha rivalutato questa affermazione. Nel tentativo di comprendere meglio il metodo analitico 2015, Slatyer e Leane hanno scoperto che il modello che hanno usato potrebbe in effetti essere "ingannato" per produrre il risultato sbagliato. Nello specifico, i ricercatori hanno eseguito il modello su osservazioni di Fermi reali, come ha fatto il team MIT-Princeton nel 2015, ma questa volta hanno aggiunto un falso segnale extra di materia oscura. Hanno scoperto che il modello non è riuscito a rilevare questo segnale falso, e anche mentre alzavano il segnale, il modello continuava a presumere che le pulsar fossero al centro dell'eccesso.

I risultati, pubblicato oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica , evidenziare un "effetto mismodeling" nell'analisi del 2015 e riaprire quello che molti pensavano fosse un caso chiuso.

"È eccitante perché pensavamo di aver eliminato la possibilità che si trattasse di materia oscura, " dice Slatyer. "Ma ora c'è una scappatoia, un errore sistematico nell'affermazione che abbiamo fatto. Riapre la porta al segnale proveniente dalla materia oscura".

Centro della Via Lattea:granuloso o liscio?

Mentre la galassia della Via Lattea assomiglia più o meno a un disco piatto nello spazio, l'eccesso di raggi gamma al suo centro occupa una regione più sferica, si estende per circa 5, 000 anni luce in ogni direzione dal centro galattico.

Nel loro studio del 2015, Slatyer e i suoi colleghi hanno sviluppato un metodo per determinare se il profilo di questa regione sferica è liscio o "granuloso". Hanno ragionato che, se le pulsar sono la fonte dell'eccesso di raggi gamma, e queste pulsar sono relativamente luminose, i raggi gamma che emettono dovrebbero abitare una regione sferica che, quando ripreso, sembra granuloso, con spazi scuri tra i punti luminosi dove si trovano le pulsar.

Se, però, la materia oscura è la fonte dell'eccesso di raggi gamma, la regione sferica dovrebbe apparire liscia:"Ogni linea di vista verso il centro galattico ha probabilmente particelle di materia oscura, quindi non dovrei vedere spazi vuoti o punti freddi nel segnale, "Slatyer spiega.

Lei e il suo team hanno usato un modello di sfondo di tutta la materia e il gas nella galassia, e tutte le interazioni tra particelle che potrebbero verificarsi per produrre raggi gamma. Hanno considerato modelli per la regione sferica del GCE che erano granulosi da un lato o lisci dall'altro, e ha ideato un metodo statistico per distinguere tra loro. Hanno quindi inserito nel modello osservazioni reali della regione sferica, ripreso dal telescopio di Fermi, e ho cercato di vedere se queste osservazioni si adattavano di più a un profilo liscio o granuloso.

"Abbiamo visto che era granuloso al 100%, e così abbiamo detto, 'Oh, la materia oscura non può farlo, quindi deve essere qualcos'altro, '", ricorda Slatyer. "La mia speranza era che questo fosse solo il primo di molti studi sulla regione del centro galattico utilizzando tecniche simili. Ma entro il 2018 i principali controlli incrociati del metodo erano ancora quelli che avevamo fatto nel 2015, il che mi ha reso piuttosto nervoso che avremmo potuto perdere qualcosa."

Piantare un falso

Dopo essere arrivato al MIT nel 2017, Leane si interessò all'analisi dei dati dei raggi gamma. Slatyer ha suggerito di provare a testare la robustezza del metodo statistico utilizzato nel 2015, per sviluppare una comprensione più profonda del risultato. I due ricercatori si sono posti la difficile domanda:in quali circostanze il loro metodo si sarebbe guastato? Se il metodo ha resistito all'interrogatorio, potevano essere fiduciosi nel risultato originale del 2015. Se, però, hanno scoperto scenari in cui il metodo è crollato, suggerirebbe che qualcosa non andava nel loro approccio, e forse la materia oscura potrebbe essere ancora al centro dell'eccesso di raggi gamma.

Leane e Slatyer hanno ripetuto l'approccio del team MIT-Princeton dal 2015, ma invece di alimentare i dati del modello Fermi, i ricercatori hanno essenzialmente elaborato una falsa mappa del cielo, compreso un segnale di materia oscura, e pulsar che non erano associate all'eccesso di raggi gamma. Hanno inserito questa mappa nel modello e hanno scoperto che, nonostante ci sia un segnale di materia oscura all'interno della regione sferica, il modello ha concluso che questa regione era molto probabilmente granulosa e quindi dominata da pulsar. Questo è stato il primo indizio, Slatyer dice, che il loro metodo "non era infallibile".

In una conferenza per presentare i loro risultati finora, Leane ha accolto una domanda di un collega:e se aggiungesse un falso segnale di materia oscura combinato con osservazioni reali, piuttosto che con una falsa mappa di sfondo?

La squadra ha raccolto la sfida, alimentando il modello con i dati del telescopio Fermi, insieme a un falso segnale di materia oscura. Nonostante l'impianto deliberato, la loro analisi statistica ha mancato di nuovo il segnale della materia oscura e ha restituito un segnale granuloso, immagine simile a un pulsar. Anche quando hanno alzato il segnale della materia oscura a quattro volte la dimensione dell'effettivo eccesso di raggi gamma, il loro metodo non è riuscito a vederlo.

"A quel punto, ero piuttosto emozionato, perché sapevo che le implicazioni erano molto grandi—significava che la spiegazione della materia oscura era tornata sul tavolo, "dice Leano.

Lei e Slatyer stanno lavorando per capire meglio il pregiudizio nel loro approccio, e spero di eliminare questo pregiudizio in futuro.

"Se è davvero materia oscura, questa sarebbe la prima prova che la materia oscura interagisce con la materia visibile attraverso forze diverse dalla gravità, " Dice Leane. "La natura della materia oscura è una delle più grandi questioni aperte in fisica in questo momento. Identificare questo segnale come materia oscura può consentirci di esporre finalmente l'identità fondamentale della materia oscura. Non importa quale sia l'eccesso, impareremo qualcosa di nuovo sull'universo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.