Un segnale misterioso dalla materia oscura?

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Credit: NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al.

Gli astronomi, cercando tra i dati archiviati in 15 anni di osservazioni dell'Osservatorio Chandra X-ray della NASA e della missione XMM-Newton dell'ESA, hanno scovano un'emissione di raggi X non identificata, proveniente dall'ammasso di galassie Perseo, un picco di intensità che ha entusiasmato gli animi come potenziale traccia dell'elusiva materia oscura.
Un misterioso segnale riscontrato anche in altri 73 ammassi di galassie.

La spiegazione esotica ed intrigante propone che i raggi X vengano prodotti anche dal decadimento dei neutrini sterili, un tipo di particella teorizzata, che dovrebbe interagire con la gravità, candidata per la materia oscura.

"Sappiamo che utilizzare la materia oscura come spiegazione è un po' azzardato ma le implicazioni sarebbero enormi, se avessimo ragione", ha dichiarato Esra Bulbul del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) a Cambridge, Massachusetts, che ha guidato la studio. "Così abbiamo intenzione di proseguire con questa interpretazione e vedere dove ci porta".

Gli astronomi ritengono che la materia oscura, costituisca circa 85% dell'Universo ma senza emettere luce come la materia normale, protoni, neutroni, elettroni, che compongono gli elementi base di pianeti, stelle e galassie. Una materia invisibile, quindi, che anche i più potenti telescopi non possono osservare ma che può essere dedotta, con metodi indiretti, grazie alla sua iterazione con la forza di gravità.
Gli ammassi di galassie sono un buon posto per cercarla: contengono centinaia di galassie, mentre una grande quantità di gas molto caldo riempie lo spazio tra loro. Ed è proprio misurando l'influenza gravitazionale degli ammassi di galassie e del gas che i conti non tornano perché costituirebbero solo un quinto della massa totale. Il resto sarebbe proprio la misteriosa materia oscura.

Bulbul, in un post sul blog Chandra, spiega che, mentre aveva iniziato un post-dottorato presso la Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, voleva migliorare la sensibilità degli attuali strumenti, attraverso la tecnica dello "stack", ossia "impilando" le osservazioni una sull'altra. In questo modo viene migliorato notevolmente in rapporto segnale - rumore, cioè la quantità di segnale utile rispetto al rumore di fondo, un concetto del tutto simile allo stack dell'image processing. Una tecnica comune per le immagini ravvicinate del MAHLI di Curiosity o del Microscopic Imager di Opportunity: quando il rover riprende una sequenza dello stesso target, le immagini sovrapposte migliorano la messa fuoco e i dettagli, permettendo, per così dire, di prendere il meglio da ogni frame.

"L'emissione di fondo di raggi X e il rumore strumentale sono i principali ostacoli per analizzare gli oggetti deboli come gli ammassi di galassie", scrive.

"Dopo aver trascorso un anno, esaminando con attenzione ed impillando le osservazioni di 73 ammassi di galassie del XMM-Newton X-ray, ho notato una riga di emissione inaspettata a circa 3,56 kiloelectron volt (keV), un range specifico per i raggi X".

In teoria, quando un neutrino sterile decade in un neutrino attivo emette un fotone di raggi X nell'intervallo KeV, che può essere rilevabile mediante la spettroscopia a raggi X.
Bulbul ha dichiarato che i risultati del suo team sono coerenti con le aspettative teoriche.
Per confermare l'esistenza dell'emissione ci è voluto un anno di lavoro ma molto altro ne dovrà essere fatto per confermare che quell'emissione sia reale e corrisponda effettivamente a neutrini sterili.

"Il nostro prossimo passo è quello di combinare i dati provenienti da Chandra e la missione Suzaku JAXA per un gran numero di ammassi di galassie e vedere se troviamo lo stesso segnale a raggi X," ha detto il co-autore Adam Foster, CfA.
"Ci sono molte cose che questi dati potrebbero rappresentare. Non lo sapremo con certezza fino al lancio di Astro-H, un nuovo tipo di rivelatore di raggi X che sarà in grado di misurare l'emissione con più precisione".

Astro-H è una missione giapponese il cui lancio è previsto nel 2015. Il telescopio sarà dotato di uno strumento ad lata risoluzione che dovrebbe raggiungere una definizione maggiore, con il quale Bulbul spera di essere in grado di "distinguere inequivocabilmente un'emissione da materia oscura e capire che cos'è veramente quella rilevata".

Per ora, per quanto le ipotesi siano suggestive, bisogna restare con i piedi per terra.
L'emissione scoperta è debole, al limite della sensibilità di Chandra e XMM Newton; inoltre, il team stesso fa notare che potrebbero esserci altri elementi per spiegarla, piuttosto che i neutrini sterili, se vogliamo considerarla reale. Ossia, ci sarebbero modi in cui la materia normale avrebbe potuto produrre i raggi X identificati, anche se questo implicherebbe cambiamenti improbabili delle condizioni fisiche nell'ammasso di galassie.
D'altra parte, se l'interpretazione come neutrino sterile fosse corretta, la sua identificazione non significherebbe che tutta la materia oscura è formata da questa particella.

Nonostante le incertezze, però, la press realise sulla scoperta svela un interessante dietro le quinte:

Because of the tantalizing potential of these results, after submitting to The Astrophysical Journal the authors posted a copy of the paper to a publicly accessible database, arXiv. This forum allows scientists to examine a paper prior to its acceptance into a peer-reviewed journal. The paper ignited a flurry of activity, with 55 new papers having already cited this work, mostly involving theories discussing the emission line as possible evidence for dark matter. Some of the papers explore the sterile neutrino interpretation, but others suggest different types of candidate dark matter particles, such as the axion, may have been detected.

Only a week after Bulbul et al. placed their paper on the arXiv, a different group, led by Alexey Boyarsky of Leiden University in the Netherlands, placed a paper on the arXiv reporting evidence for an emission line at the same energy in XMM-Newton observations of the galaxy M31 and the outskirts of the Perseus cluster. This strengthens the evidence that the emission line is real and not an instrumental artifact.