L'ottantacinque per cento dell'universo è composto da materia oscura, ma non sappiamo cosa, Esattamente, è.

Un nuovo studio dell'Università del Michigan, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e Università della California, Berkeley ha escluso che la materia oscura sia responsabile di misteriosi segnali elettromagnetici precedentemente osservati dalle galassie vicine. Prima di questo lavoro c'erano grandi speranze che questi segnali avrebbero fornito ai fisici prove concrete per aiutare a identificare la materia oscura.

La materia oscura non può essere osservata direttamente perché non assorbe, riflettono o emettono luce, ma i ricercatori sanno che esiste a causa dell'effetto che ha su altre questioni. Abbiamo bisogno della materia oscura per spiegare le forze gravitazionali che tengono insieme le galassie, Per esempio.

I fisici hanno suggerito che la materia oscura è un cugino strettamente correlato del neutrino, chiamato neutrino sterile. I neutrini, particelle subatomiche prive di carica e che raramente interagiscono con la materia, vengono rilasciati durante le reazioni nucleari che avvengono all'interno del sole. Hanno una piccola quantità di massa, ma questa massa non è spiegata dal Modello Standard della Fisica delle Particelle. I fisici suggeriscono che il neutrino sterile, un'ipotetica particella, potrebbe spiegare questa massa ed essere anche materia oscura.

I ricercatori dovrebbero essere in grado di rilevare il neutrino sterile perché è instabile, dice Ben Safdi, co-autore e assistente professore di fisica alla U-M. Decade in normali neutrini e radiazioni elettromagnetiche. Per rilevare la materia oscura, poi, i fisici scansionano le galassie alla ricerca di questa radiazione elettromagnetica sotto forma di emissione di raggi X.

Nel 2014, un lavoro fondamentale ha scoperto un'eccessiva emissione di raggi X da galassie vicine e ammassi di galassie. L'emissione sembrava essere coerente con quella che deriverebbe dalla decomposizione della materia oscura del neutrino sterile, ha detto Safdi.

Ora, una meta analisi dei dati grezzi presi dal telescopio spaziale a raggi X XMM-Newton di oggetti nella Via Lattea per un periodo di 20 anni non ha trovato prove che il neutrino sterile sia ciò che comprende la materia oscura. Il team di ricerca comprende lo studente di dottorato Christopher Dessert e Nicholas Rodd, un fisico con il gruppo teorico del Berkley Lab e il Berkley Center for Theoretical Physics. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Scienza .

"Questo documento del 2014 e i lavori di follow-up hanno confermato che il segnale ha generato una notevole quantità di interesse nelle comunità di astrofisica e fisica delle particelle a causa della possibilità di sapere, per la prima volta, esattamente che cosa è la materia oscura a livello microscopico, " Ha detto Safdi. "La nostra scoperta non significa che la materia oscura non sia un neutrino sterile, ma significa che, contrariamente a quanto affermato nel 2014, non ci sono fino ad oggi prove sperimentali che indichino la sua esistenza".

Telescopi a raggi X spaziali come il telescopio XMM-Newton, puntare ad ambienti ricchi di materia oscura per cercare questa debole radiazione elettromagnetica sotto forma di segnali a raggi X. La scoperta del 2014 ha chiamato l'emissione di raggi X "linea da 3,5 keV" - keV sta per kilo-elettronvolt - a causa del punto in cui il segnale è apparso sui rilevatori di raggi X.

Il team di ricerca ha cercato questa linea nella nostra Via Lattea utilizzando 20 anni di dati d'archivio presi dal telescopio spaziale a raggi X XMM-Newton. I fisici sanno che la materia oscura si accumula intorno alle galassie, quindi, quando le analisi precedenti hanno esaminato le galassie e gli ammassi di galassie vicini, ognuna di quelle immagini avrebbe catturato qualche colonna dell'alone di materia oscura della Via Lattea.

Il team ha usato quelle immagini per guardare la parte "più oscura" della Via Lattea. Ciò ha notevolmente migliorato la sensibilità delle analisi precedenti alla ricerca di materia oscura di neutrini sterili, ha detto Safdi.

"Ovunque guardiamo, dovrebbe esserci un flusso di materia oscura dall'alone della Via Lattea, " ha detto Rodd del Berkeley Lab, a causa della posizione del nostro sistema solare nella galassia. "Abbiamo sfruttato il fatto che viviamo in un alone di materia oscura" nello studio.

Cristoforo Dessert, un coautore dello studio che è un ricercatore di fisica e un dottorato di ricerca. studente presso U-M, detti ammassi di galassie in cui è stata osservata la linea da 3,5 keV hanno anche grandi segnali di fondo, che fungono da rumore nelle osservazioni e possono rendere difficile individuare segnali specifici che possono essere associati alla materia oscura.

"Il motivo per cui stiamo guardando attraverso l'alone di materia oscura galattica della nostra galassia Via Lattea è che lo sfondo è molto più basso, "Disse il dolce.

Per esempio, XMM-Newton ha scattato immagini di oggetti isolati come singole stelle nella Via Lattea. I ricercatori hanno preso queste immagini e mascherato gli oggetti di interesse originale, lasciando ambienti incontaminati e bui in cui cercare il bagliore del decadimento della materia oscura. La combinazione di 20 anni di tali osservazioni ha permesso di sondare la materia oscura di neutrini sterili a livelli senza precedenti.

Se i neutrini sterili fossero materia oscura, e se il loro decadimento portasse ad un'emissione della linea da 3,5 keV, Safdi e i suoi colleghi ricercatori avrebbero dovuto osservare quella linea nella loro analisi. Ma non hanno trovato prove per la materia oscura del neutrino sterile.

"Mentre questo lavoro fa, Sfortunatamente, gettare acqua fredda su quella che sembrava quella che potrebbe essere stata la prima prova della natura microscopica della materia oscura, apre un approccio completamente nuovo alla ricerca della materia oscura che potrebbe portare a una scoperta nel prossimo futuro, ", ha detto Safdi.