Enigmi Galattici: La Zona Molecolare Centrale e i Raggi Gamma
Gli astronomi si trovano di fronte a due enigmi affascinanti che emergono dal cuore della nostra galassia, la Via Lattea. Il primo fenomeno riguarda la zona molecolare centrale (CMZ), una regione densa e turbolenta situata nelle vicinanze del nucleo galattico. Qui, il gas si ionizza a un ritmo sorprendentemente elevato. Il secondo mistero è rappresentato da un bagliore di raggi gamma, rilevato dai telescopi, con un’energia di 511 kilo-electronvolts, corrispondente all’energia di un elettrone a riposo. Questo tipo di radiazione gamma si genera quando un elettrone e il suo equivalente di antimateria, il positrone, si annichilano, producendo un lampo di luce. Nonostante decenni di osservazioni, le cause di entrambi questi fenomeni rimangono poco chiare. Tuttavia, un nuovo studio pubblicato su Physical Review Letters suggerisce che entrambi potrebbero essere interconnessi attraverso un elemento fondamentale e ancora misterioso dell’universo: la materia oscura. In particolare, gli autori propongono che una nuova forma di materia oscura, caratterizzata da una massa inferiore rispetto ai tipi comunemente ricercati dagli astronomi, potrebbe essere la chiave per comprendere questi enigmi.
La Zona Molecolare Centrale e la Sua Ionizzazione Anomala
La CMZ si estende per quasi 700 anni luce e ospita alcuni dei gas molecolari più densi della galassia. Negli anni, gli scienziati hanno osservato che questa regione presenta un’ionizzazione anomala, con le molecole di idrogeno che si scindono in particelle cariche a un ritmo molto più elevato di quanto ci si aspettasse. Le fonti potenziali di questa ionizzazione includono i raggi cosmici e la radiazione stellare, ma queste spiegazioni non sembrano sufficienti a giustificare i livelli di ionizzazione osservati. Dall’altro lato, l’emissione di raggi gamma a 511 keV è stata osservata per la prima volta negli anni ’70, ma la sua origine rimane ancora un mistero. Sono stati avanzati diversi candidati, tra cui supernove, stelle massicce, buchi neri e stelle di neutroni, ma nessuna di queste ipotesi riesce a spiegare completamente il modello o l’intensità dell’emissione. Ci si è quindi posti una domanda cruciale: è possibile che entrambi i fenomeni siano il risultato di un processo nascosto comune?
La Materia Oscura e le Sue Proprietà Misteriose
La materia oscura costituisce circa l’85% della massa totale dell’universo, ma non emette né assorbe luce, rendendo difficile la sua osservazione diretta. Sebbene gli effetti gravitazionali della materia oscura siano ben documentati, la sua composizione rimane un mistero. Una possibilità spesso trascurata è che le particelle di materia oscura possano essere estremamente leggere, con masse che si aggirano attorno a pochi milioni di elettronvolt, molto più leggere di un protone, ma comunque in grado di esercitare un’influenza cosmica. Queste particelle di materia oscura leggera, note come particelle sub-GeV (giga elettronvolt), potrebbero interagire con le loro antiparticelle. Nel nostro studio, abbiamo esaminato cosa accadrebbe se queste particelle di materia oscura leggera si incontrassero con le loro antiparticelle nel centro galattico, annichilendosi e generando elettroni e positroni.
ESO/Y. Beletsky, CC BY-SA
Processo di Annichilazione e Ionizzazione nella CMZ
In un ambiente denso come quello della CMZ, queste particelle a bassa energia perderebbero rapidamente energia, ionizzando in modo efficiente le molecole di idrogeno circostanti e strappando i loro elettroni. Poiché la densità della regione è elevata, le particelle non riuscirebbero a percorrere lunghe distanze, ma depositerebbero la maggior parte della loro energia localmente, in linea con il profilo di ionizzazione osservato. Attraverso simulazioni dettagliate, abbiamo dimostrato che questo semplice processo di annichilazione delle particelle di materia oscura in elettroni e positroni può spiegare in modo naturale i tassi di ionizzazione riscontrati nella CMZ. Inoltre, le caratteristiche richieste per questa forma di materia oscura, come la massa e la forza di interazione, non contraddicono alcun vincolo noto derivante dall’universo primordiale, rendendo questa ipotesi una seria candidata.
Collegamento tra Materia Oscura e Raggi Gamma
Se la materia oscura è effettivamente responsabile della produzione di positroni nella CMZ, queste particelle alla fine rallenteranno e si annichileranno con gli elettroni presenti nell’ambiente, generando raggi gamma con un’energia esattamente pari a 511 keV. Questo stabilirebbe un legame diretto tra il fenomeno dell’ionizzazione e il misterioso bagliore di raggi gamma. Abbiamo scoperto che, mentre la materia oscura può spiegare l’ionizzazione, potrebbe anche contribuire a generare una certa quantità di radiazione a 511 keV. Questa scoperta sorprendente suggerisce che i due segnali potrebbero avere una fonte comune, rappresentata dalla materia oscura leggera. Tuttavia, l’intensità esatta della radiazione a 511 keV dipende da vari fattori, tra cui l’efficienza con cui i positroni formano stati legati con gli elettroni e il luogo preciso in cui avviene l’annichilazione. Questi dettagli rimangono ancora incerti e necessitano di ulteriori indagini.
Importanza dell’Osservazione della CMZ per la Comprensione della Materia Oscura
Indipendentemente dal fatto che l’emissione a 511 keV e l’ionizzazione della CMZ condividano una fonte comune, il tasso di ionizzazione nella CMZ sta emergendo come un’importante osservazione per lo studio della materia oscura. In particolare, offre un metodo per testare modelli che coinvolgono particelle di materia oscura leggera, le quali sono difficili da rilevare attraverso esperimenti di laboratorio tradizionali. Nel nostro studio, abbiamo dimostrato che il profilo di ionizzazione previsto dalla materia oscura è notevolmente uniforme attraverso la CMZ. Questo è un aspetto cruciale, poiché l’ionizzazione osservata si distribuisce in modo relativamente omogeneo. Fonti puntuali, come il buco nero al centro della galassia o le supernove, non riescono a spiegare facilmente questa distribuzione. Al contrario, un alone di materia oscura distribuito uniformemente potrebbe farlo. I nostri risultati suggeriscono che il centro della Via Lattea potrebbe fornire nuove indicazioni sulla natura fondamentale della materia oscura. Futuri telescopi, dotati di una risoluzione migliore, saranno in grado di fornire ulteriori informazioni sulla distribuzione spaziale e sulle relazioni tra la radiazione a 511 keV e il tasso di ionizzazione nella CMZ. Nel frattempo, le osservazioni continue della CMZ potrebbero contribuire a confermare o escludere l’interpretazione legata alla materia oscura. In ogni caso, questi segnali enigmatici provenienti dal cuore della galassia ci ricordano che l’universo è ancora pieno di sorprese. A volte, volgere lo sguardo verso il dinamico e luminoso centro della nostra galassia rivela indizi inaspettati su ciò che si cela oltre la nostra comprensione attuale.
Shyam Balaji, Ricercatore Postdottorato di Fisica, King’s College London
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.
