In un nuovo studio, gli astrofisici hanno trovato un certo bagliore di raggi gamma nel cielo, noto come sfondo di raggi gamma irrisolto (giallo), coincidere con regioni cosmiche che contengono molta materia (rosso). La correlazione potrebbe portare a una migliore comprensione degli oggetti astrofisici altamente energetici e della materia oscura. La mappa dei raggi gamma è stata creata con nove anni di dati dal veicolo spaziale Fermi, e la mappa che mostra la densità della materia si basa su un anno di dati del Dark Energy Survey (DES). Credito:Daniel Gruen/SLAC/Stanford, Chihway Chang/Università di Chicago, Alex Drlica-Wagner/Fermilab
Gli astrofisici si sono avvicinati di un passo alla comprensione dell'origine di un debole bagliore di raggi gamma che copre il cielo notturno. Hanno scoperto che questa luce è più brillante nelle regioni che contengono molta materia e più fioca dove la materia è più scarsa, una correlazione che potrebbe aiutarli a restringere le proprietà di oggetti astrofisici esotici e materia oscura invisibile.
Il bagliore, noto come sfondo di raggi gamma irrisolto, deriva da fonti così deboli e lontane che i ricercatori non possono identificarle individualmente. Ancora, il fatto che i luoghi in cui hanno origine questi raggi gamma corrispondano a dove si trova la massa nell'universo distante potrebbe essere un pezzo di puzzle chiave nell'identificazione di tali fonti.
"Lo sfondo è la somma di molte cose "là fuori" che producono raggi gamma. Essere stati in grado di misurare per la prima volta la sua correlazione con le lenti gravitazionali, piccole distorsioni delle immagini di galassie lontane prodotte dalla distribuzione della materia, aiuta noi li sbrogliamo, " ha affermato Simone Ammazzalorso dell'Università di Torino e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, che ha co-condotto l'analisi.
Lo studio ha utilizzato un anno di dati del Dark Energy Survey (DES), che riprende immagini ottiche del cielo, e nove anni di dati dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi, che osserva i raggi gamma cosmici mentre orbita intorno alla Terra.
"La cosa veramente intrigante è che la correlazione che abbiamo misurato non corrisponde completamente alle nostre aspettative, " ha affermato il collega di Panofsky Daniel Gruen del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) presso il Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory e la Stanford University, che ha condotto l'analisi per la collaborazione DES. "Questo potrebbe significare che dobbiamo adattare i nostri modelli esistenti per oggetti che emettono raggi gamma, o potrebbe suggerire altre fonti, come la materia oscura".
Lo studio è stato accettato oggi per la pubblicazione in Lettere di revisione fisica .
Due 'occhi' sensibili al cielo
radiazioni gamma, la forma di luce più energica, si produce in un'ampia gamma di fenomeni cosmici, spesso estremamente violenti, come stelle che esplodono, dense stelle di neutroni che ruotano ad alta velocità e potenti fasci di particelle che fuoriescono da galassie attive i cui buchi neri supermassicci centrali divorano materia.
Un'altra potenziale fonte è la materia oscura invisibile, che si ritiene costituisca l'85% di tutta la materia dell'universo. Potrebbe produrre raggi gamma quando le particelle di materia oscura si incontrano e si distruggono a vicenda nello spazio.
Il Large Area Telescope (LAT) a bordo della navicella spaziale Fermi è un "occhio" altamente sensibile per le radiazioni gamma, ei suoi dati forniscono una mappa dettagliata delle sorgenti di raggi gamma nel cielo.
Illustrazione di un blazar, un oggetto potente che produce fasci di raggi gamma quando il materiale si muove a spirale in un enorme buco nero. I blazar sono le sorgenti extraterrestri più comuni di raggi gamma ad alta energia rilevati dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi. Credito:M. Weiss/CfA
Ma quando gli scienziati sottraggono tutte le fonti che già conoscono, la loro mappa è tutt'altro che vuota; contiene ancora uno sfondo di raggi gamma la cui luminosità varia da regione a regione.
"Purtroppo i raggi gamma non hanno un'etichetta che ci dica da dove provengono, " ha detto Gruen. "Ecco perché abbiamo bisogno di ulteriori informazioni per svelare la loro origine."
È qui che entra in gioco DES. Con la sua Dark Energy Camera da 570 megapixel, montato sul telescopio da 4 metri Victor M. Blanco presso l'Osservatorio interamericano di Cerro Tololo in Cile, scatta immagini di centinaia di milioni di galassie. Le loro forme esatte dicono ai ricercatori come l'attrazione gravitazionale della materia piega la luce nell'universo, un effetto che si mostra come minuscole distorsioni nelle immagini delle galassie, noto come lente gravitazionale debole. Sulla base di questi dati, i ricercatori del DES creano le mappe più dettagliate della materia nel cosmo.
Nel nuovo studio, gli scienziati hanno sovrapposto le mappe di Fermi e DES, che ha rivelato che i due non sono indipendenti. Lo sfondo di raggi gamma irrisolto è più intenso nelle regioni con più materia e meno intenso nelle regioni con meno materia.
"Il risultato in sé non è sorprendente. Ci aspettiamo che ci siano più processi di produzione di raggi gamma nelle regioni che contengono più materia, e abbiamo previsto questa correlazione per un po', " disse Nicolao Fornengo, uno dei supervisori di Ammazzalorso a Torino. "Ma ora siamo riusciti a rilevare questa correlazione per la prima volta, e possiamo usarlo per capire cosa causa lo sfondo dei raggi gamma."
Potenziale indizio sulla materia oscura
Una delle fonti più probabili per il bagliore dei raggi gamma sono i blazar molto distanti, galassie attive con buchi neri supermassicci al centro. Mentre i buchi neri inghiottono la materia circostante, emettono getti ad alta velocità di plasma e raggi gamma che, se i jet puntano su di noi, vengono rilevati dalla navicella Fermi.
Blazars sarebbe l'ipotesi più semplice, ma i nuovi dati suggeriscono che una semplice popolazione di blazar potrebbe non essere sufficiente per spiegare la correlazione osservata tra raggi gamma e distribuzione di massa, hanno detto i ricercatori.
"Infatti, i nostri modelli per le emissioni dei blazar possono spiegare abbastanza bene la parte a bassa energia della correlazione, ma vediamo deviazioni per i raggi gamma ad alta energia, " Ha detto Gruen. "Questo può significare diverse cose:potrebbe indicare che dobbiamo migliorare i nostri modelli per i blazar o che i raggi gamma potrebbero provenire da altre fonti".
Una di queste altre fonti potrebbe essere la materia oscura. Una teoria leader prevede che la sostanza misteriosa sia fatta di particelle massicce che interagiscono debolmente, o WIMP, che potrebbero annichilirsi a vicenda in un lampo di raggi gamma quando si scontrano. I raggi gamma provenienti da alcune regioni cosmiche ricche di materia potrebbero quindi derivare da queste interazioni di particelle.
L'idea di cercare le firme dei raggi gamma di WIMP annientanti non è nuova. Negli anni passati, gli scienziati li hanno cercati in vari luoghi che si ritiene contengano molta materia oscura, compreso il centro della Via Lattea e le galassie compagne della Via Lattea. Però, queste ricerche non hanno ancora prodotto segnali di materia oscura identificabili. I nuovi risultati potrebbero essere utilizzati per ulteriori ricerche che mettano alla prova l'ipotesi WIMP.
Una potenziale fonte di raggi gamma cosmici potrebbe essere la materia oscura. Una delle principali teorie prevede che la sostanza misteriosa sia fatta di particelle massicce che interagiscono debolmente, o WIMP, che potrebbero annichilirsi a vicenda in un lampo di raggi gamma quando si scontrano. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Pianificare i prossimi passi
Sebbene la probabilità che la correlazione misurata sia solo un effetto casuale è solo di circa uno su mille, i ricercatori hanno bisogno di più dati per un'analisi conclusiva.
"Questi risultati, collegando per la prima volta le nostre mappe dei raggi gamma e della materia, sono molto interessanti e hanno un grande potenziale, ma al momento la connessione è ancora relativamente debole, e bisogna interpretare i dati con attenzione, " ha affermato il direttore del KIPAC Risa Wechsler, che non è stato coinvolto nello studio.
Uno dei principali limiti dell'analisi attuale è la quantità di dati disponibili sulle lenti, disse Gruen. "Con i dati di 40 milioni di galassie, DES ha già spinto questo a un nuovo livello, ed è per questo che siamo stati in grado di fare l'analisi in primo luogo. Ma abbiamo bisogno di misurazioni ancora migliori, " Egli ha detto.
Con la sua prossima pubblicazione di dati, DES fornirà i dati sulle lenti per 100 milioni di galassie, e il futuro Large Synoptic Survey Telescope (LSST) osserverà miliardi di galassie in una regione del cielo molto più ampia.
"Il nostro studio dimostra con dati reali che possiamo usare la correlazione tra le distribuzioni della materia e dei raggi gamma per saperne di più su cosa causa lo sfondo dei raggi gamma, " ha detto Fornengo. "Con più dati DES, LSST in arrivo e altri progetti come il telescopio spaziale Euclid all'orizzonte, saremo in grado di approfondire la nostra comprensione delle potenziali fonti".
Quindi, gli scienziati potrebbero essere in grado di dire se parte di quel bagliore di raggi gamma deriva dall'autodistruzione della materia oscura.
DES è un progetto internazionale con oltre 400 scienziati provenienti da 25 istituzioni in 7 paesi, che si sono riuniti per svolgere il sondaggio. Parti del progetto sono state finanziate dall'Office of Science del DOE e dalla National Science Foundation. Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA è un osservatorio spaziale internazionale e multi-agenzia. L'analisi ha utilizzato i dati Fermi-LAT che sono stati rilasciati pubblicamente dalla collaborazione internazionale LAT.
