In teoria, quando due particelle di materia oscura (qualunque esse siano) attraversano un “portale gravitazionale” non fanno altro che interagire gravitazionalmente emettendo raggi gamma.

Questa idea può spiegare perché il centro galattico – dove si ritiene si nascondano densi ammassi di materia oscura – emette raggi gamma; inoltre potrebbe far luce su come potrebbe occasionalmente interagire con la materia ordinaria del nostro universo.

Più dell’80% della materia nel nostro universo non è contemplata dal modello standard della fisica delle particelle. Gli scienziati la chiamano materia oscura perché non interagisce con i fotoni. 

Il primo indizio dell’esistenza della materia risale anni ’70, quando l’astronoma Vera Rubin misurando la rotazione delle galassie notò che avrebbero dovuto essere molto più massicce per mantenere la forma osservata.

La necessaria massa in eccesso

Per decenni, gli astronomi non hanno saputo se dovevano rivedere la comprensione della gravità, aggiungere materia ordinaria ma più debole o cercare un nuovo tipo di materia.

Le osservazioni, nel corso degli anni, hanno limitato le loro scelte. Fino ad ora, nessuna teoria della gravità modificata può spiegare tutte le osservazioni, e i fisici hanno posto limiti stringenti alla quantità di materia ordinaria presente nell’universo.

Proprio questi limiti hanno lasciato alla materia oscura il compito di spiegare il comportamento delle galassie. La materia oscura sarebbe “fatta” di particelle ancora sconosciute.

Non interagiscono con i fotoni, non interagiscono con la forte forza nucleare – che lega insieme particelle di materia – altrimenti gli scienziati le avrebbero rilevate negli esperimenti atomici. Potrebbe interagire con la forza nucleare debole, ma quella forza è così debole che osservare qualsiasi deviazione nei risultati attesi è difficile.

L’unico modo per studiarla è attraverso le sue interazioni gravitazionali con la materia ordinaria poiché tradisce la sua presenza attraverso la gravità, perché la massa e l’energia esercitano un campo gravitazionale.

La sua annichilazione e gli elettroni in eccesso

In uno studio pubblicato nel database di preprint arXiv, i fisici Sun Xu-Dong e Dai Ben-Zhong, del China Key Laboratory of Astroparticle Physics hanno proposto una nuova teoria per spiegare cos’è e come si comporta.

L’indizio della sua presenza della deriva dall’osservazione di una abbondanza inspiegabile di raggi gamma emessi dal centro della nostra galassia, la Via Lattea.

I raggi gamma sono la forma di radiazione a più alta energia possibile e di solito vengono emessi solo da alcuni eventi come le supernova.

Ma vengono rilevati molti più raggi gamma di quanto ci si aspetterebbe nel centro galattico, data la rarità degli eventi ad alta energia. Quindi, è possibile, secondo lo studio di Dong e Zhoing, che i raggi gamma vengano emessi come sottoprodotto della sua annichilazione in elettroni ad alta energia.

Gli elettroni ad alta energia, che sono particelle note come “leptoni” sono molto più facili da produrre rispetto ai raggi gamma e viaggiano attraverso il centro galattico.

Gli elettroni stessi non sono rilevabili, ma mentre percorrono lo spazio interstellare, possono occasionalmente scontrarsi con un fotone a bassa energia. La collisione aumenta così tanto l’energia del fotone che inizia a emettere raggi gamma che possiamo rilevare.

Quelle collisioni sono una possibile spiegazione ai raggi gamma in eccesso, ma da dove provengono quegli elettroni ad alta energia?

Annichilazione della materia e portali gravitazionali

Facciamo un piccolo riepilogo. La materia interagisce solo attraverso la gravità. Leptoni ad alta energia che viaggiano nel centro galattico potrebbero spiegare i raggi gamma extra.

Poiché nella nostra galassia il nucleo ha la più alta densità di materia, pensiamo che ci sia anche una grande concentrazione di essa.

Il collegamento tra queste due osservazioni ha un nome impressionante: portali gravitazionali leptophilic, come spiegano da Sun Xu-Dong e Dai Ben-Zhong nel loro articolo su arXiv. (Lo studio deve ancora essere sottoposto a revisione paritaria).

Cosa sono i “portali gravitazionali”. Per quanto ne sappiamo la gravità è sempre attrattiva. Quindi, l’unica cosa che può fare un campo gravitazionale è quello di attirarla.

Tuttavia la nostra comprensione della gravità è incompleta. La fisica può spiegare che la gravità opera su larga scala, ma non esiste una teoria quantistica della gravità, in grado di descrivere il comportamento della gravità su scala subatomica. E in questo regime, la gravità potrebbe riservare delle sorprese.

Le altre forze della natura sono in grado di annientare, trasformare e creare particelle in ogni momento. Quindi forse la gravità, in casi estremi, può unire due particelle di materia oscura e distruggerle, trasformandole in qualsiasi cosa.

Secondo il modello teorico proposto dai due fisici, forse quelle particelle possono trasformarsi in leptoni. Da qui la parte “leptofila” del nome, che significa “amante dei leptoni”.

Secondo la teoria proposta dai due fisici, le particelle di materia oscura possono occasionalmente annichilirsi a vicenda attraverso le interazioni gravitazionali casuali.

Queste interazioni casuali sono conosciute nel gergo della fisica come “portali gravitazionali“, poiché offrono un modo alle particelle di interagire solo attraverso la gravità.

Il prodotto di quella collisione sarebbe un elettrone ad alta energia. Queste interazioni sarebbero molto più comuni nel centro galattico, dove la sua densità è probabilmente molto più alta che in altri luoghi della galassia.

Quegli elettroni continuerebbero quindi a viaggiare, colpendo alla fine un fotone a bassa energia e trasformandosi in un raggio gamma, causando l’eccesso che osserviamo.

Sì, questa teoria è una forzatura. Ma dato che i fisici sono all’oscuro di cosa sia effettivamente, le nuove idee sono utili per esplorare nuovi sentieri.