8. Come si studia la materia oscura (II parte)

A Monster Galaxy at the Heart of Perseus Cluster

Ma dove si accumula la materia oscura?


Viene subito da pensare: al centro della nostra Galassia. Si può allora stimare con il calcolo il flusso della radiazione di annichilazione proveniente dal centro galattico e comparare la previsione con le osservazioni.Gli ingredienti del calcolo sono almeno quattro: la probabilità di annichilazione (quella che nel linguaggio tecnico viene indicata come sezione d’urto), la massa delle WIMP, la natura delle particelle secondarie, il profilo di densità della materia oscura. Il risultato che otterremo sarà la predizione di un flusso di radiazione e di particelle secondarie emesso dal centro della Galassia: in particolare, ci aspettiamo di osservare raggi gamma e neutrini, i quali interagiscono pochissimo con la materia interposta tra il luogo di emissione e la Terra. Inoltre, ci aspettiamo che alcune particelle cariche, in particolare elettroni e positroni, emettano radiazione di sincrotrone, ossia quel tipo di radiazione che viene prodotta dalla particelle cariche che si propagano all’interno di un campo magnetico. Attraverso studi teorici è possibile stimare l’intensità del campo magnetico galattico, ma certamente questo elemento introduce nei calcoli un ulteriore livello di incertezza.
In ogni caso, individuati tutti i parametri necessari, si stima il flusso delle particelle secondarie che dovrebbero arrivare sulla Terra e, sulla base di questo dato, si escludono tutti i candidati di materia oscura che, per un certo profilo di densità, producono flussi superiori a quelli che si osservano sulla Terra. Capovolgendo la prospettiva, si possono anche escludere tutti i profili di densità che, per un dato candidato WIMP, predicono flussi troppo elevati. Per fare un esempio concreto, è stato possibile escludere i profili che prevedono densità troppo elevate al centro della Via Lattea se la WIMP è il neutralino. Ciò sulla base delle osservazioni del flusso dei raggi gamma e della radiazione di sincrotrone che si raccoglie dal centro galattico. Per quanto riguarda i raggi gamma, fino a poco tempo fa il confronto veniva eseguito con le misure raccolte dallo strumento EGRET a bordo dell’osservatorio orbitale Compton GRO della NASA. Negli ultimi tempi, tuttavia, una serie di telescopi di nuova generazione ha cominciato a osservare il centro galattico nei raggi gamma. Si tratta degli Air Cherenkov Telescopes (ACT), telescopi che registrano come i fotoni gamma interagiscono con gli atomi dell’atmosfera terrestre, i quali sono in grado di rivelare raggi gamma fino ad altissime energie, più di 10 Tev (centinaia di volte maggiori di quelle osservate dall’EGRET). Sembra tuttavia difficile associare i raggi gamma di energia così elevata con l’annichilazione dei neutralini, dato che l’equivalente in energia della massa di questa WIMP si pensa non vada più in là di pochi TeV. Una possibile ed entusiasmante alternativa e quella di rivelare la radiazione di annichilazione proveniente da addensamenti di materia oscura intorno a buchi neri di massa intermedia (ovvero tra cento e un milione di masse solari). Infatti se le teorie che prevedono l’esistenza di questi oggetti fossero confermate, telescopi come quello del satellite GLAST, oppure telescopi gamma come CANGAROO, HESS, MAGIC, VERITAS potrebbero rivelare decine se non centinaia di sorgenti di raggi gamma, tutte con identico spettro di energie; sarebbe una prova indiscutibile dell’annichilazione di particelle WIMP.
Quanto ai neutrini, bisogna tener conto del fatto che pochissime sono le osservazioni di neutrini extra-terrestri. Esistono solo osservazioni di neutrini solari, questi sì abbondanti, e una sola, episodica, osservazione di neutrini provenienti dall’esplosione della supernova SN1987A. Tuttavia, nuove generazioni di telescopi per neutrini stanno entrando in funzione, immersi nel ghiaccio del polo sud (esperimento Icecube) o sul fondo del Mar Mediterraneo (esperimento Antares). Con tali strumenti si spera di potere rivelare flussi di energie molto elevate, come quelli proverrebbero dal centro della Galassia se la materia oscura fosse composta da particelle che si annichilano. La rivelazione sarebbe possibile per candidati WIMP che decadendo producessero molti più neutrini che raggi gamma. Più convincente è la prospettiva di rilevare i neutrini che provengono dalle profondità del Sole: non quelli prodotti dalle reazioni, ma gli eventuali neutrini di alta energia che scaturiscono dall’annichilazione di neutralini. I neutralini potrebbero, infatti, interagire con il plasma del Sole, perdere energia e restarvi intrappolati, muovendosi lentamente verso il centro. Si possono calcolare i dettagli di questo processo e se ne deduce che si determinerebbe una situazione di equilibrio in cui il numero di particelle che si annichila al centro del Sole è uguale al numero di particelle che vengono catturate dall’astro. Per quanto possa sembrare fantascientifico, la rivelazione di neutrini da annichilazione di materia oscura al centro del Sole è uno dei metodi più promettenti per la rivelazione di neutralini nell’universo.

Continua…

Grazie Flavio per il suggerimento di pubblicare questo articolo tratto da Le Stelle (per i riferimenti si rimanda ai post precedenti).

Sabrina

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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