La materia oscura potrebbe essere la fonte dell’eccesso di luce registrato nello sfondo ottico cosmico

Quando la sonda New Horizons ha raggiunto l’oscurità esterna del Sistema Solare, oltre Plutone, i suoi strumenti hanno rilevato qualcosa di strano.

Molto, molto debolmente, lo spazio tra le stelle risplendeva di luce ottica. Questo di per sé non era inaspettato; questa luce è chiamata sfondo ottico cosmico, una debole luminescenza proveniente da tutte le sorgenti luminose dell’Universo al di fuori della nostra galassia.

La parte strana era la quantità di luce. C’era molta più luce di quello che gli scienziati pensavano dovesse esserci: il doppio, infatti.

Ora, in un nuovo documento, gli scienziati presentano una possibile spiegazione per l’eccesso di luce ottica: un sottoprodotto di un’interazione altrimenti non rilevabile della materia oscura.

“I risultati di questo lavoro“, scrivono i ricercatori guidati dall’astrofisico José Luis Bernal della Johns Hopkins University, “forniscono una potenziale spiegazione per l’eccesso di fondo ottico cosmico consentito da vincoli osservativi indipendenti, e che potrebbe rispondere a una delle incognite di lunga data in cosmologia: la natura della materia oscura“.

Abbiamo molte domande sull’Universo, ma la materia oscura è tra le più fastidiose. È il nome che diamo alla massa che non riusciamo ad identificare nell’Universo responsabile di fornire molta più gravità in punti concentrati di quanta dovrebbe essercene .

Le galassie, per esempio, ruotano più velocemente di quanto dovrebbero sotto la gravità generata dalla massa di materia visibile. La curvatura dello spazio-tempo attorno a oggetti massicci è maggiore di quanto dovrebbe essere se calcolassimo la deformazione dello spazio basandoci solo sulla quantità di materiale luminoso.

Ma qualunque cosa stia creando questo effetto, non possiamo rilevarlo direttamente. L’unico modo per sapere che c’è è che non possiamo spiegare questa gravità extra. E ce n’è molta. Circa l’80 percento della materia nell’Universo è materia oscura.

Se la materia oscura è composta di assioni quando decade dovrebbe emettere fotoni

Ci sono alcune ipotesi su cosa potrebbe essere. Uno dei candidati è l’assione, che appartiene a un’ipotetica classe di particelle concettualizzata per la prima volta negli anni ’70 per risolvere la questione del perché forti forze atomiche seguano qualcosa chiamato simmetria a parità di carica quando la maggior parte dei modelli afferma che non sia necessario.

A quanto pare, anche gli assioni in uno specifico intervallo di massa dovrebbero comportarsi esattamente come ci aspettiamo che faccia la materia oscura. E potrebbe esserci un modo per rilevarli, perché in teoria ci si aspetta che gli assioni decadano in coppie di fotoni in presenza di un forte campo magnetico.

Diversi esperimenti stanno cercando fonti di questi fotoni che dovrebbero anche fluire attraverso lo spazio in numero eccessivo. La difficoltà sta nel separarli da tutte le altre fonti di luce nell’Universo ed è qui che entra in gioco il fondo ottico cosmico.

Lo sfondo stesso è molto difficile da rilevare poiché è molto debole. Il Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) a bordo della New Horizons è probabilmente lo strumento migliore per questo lavoro. È lontano dalla Terra e dal Sole, e LORRI è molto più sensibile degli strumenti collegati alle più lontane sonde Voyager lanciate 40 anni prima.

Gli scienziati hanno ipotizzato che l’eccesso di luce rilevato da New Horizons sia il prodotto attribuito a stelle e galassie che non possiamo vedere. E quell’opzione è ancora sul tavolo. Il lavoro di Bernal e del suo team è stato quello di valutare se la materia oscura simile agli assioni potesse essere responsabile della luce extra.

Hanno condotto modelli matematici e determinato che gli assioni con masse comprese tra 8 e 20 elettronvolt potrebbero produrre il segnale osservato in determinate condizioni.

L’assione è incredibilmente leggero per una particella e tende a essere misurato in megaelettronvolt. Ma con stime recenti che collocano l’ipotetico pezzo di materia a una frazione di un singolo elettronvolt, questi numeri richiederebbero che gli assioni siano relativamente robusti.

È impossibile dire quale spiegazione sia corretta basandosi esclusivamente sui dati attuali. Tuttavia, restringendo le masse degli assioni che potrebbero essere responsabili dell’eccesso, i ricercatori hanno gettato le basi per future ricerche di queste particelle enigmatiche.

“Se l’eccesso deriva dal decadimento della materia oscura in una linea di fotoni, ci sarà un segnale significativo nelle prossime misurazioni della mappatura dell’intensità della linea“, scrivono i ricercatori.

“Inoltre, lo strumento ultravioletto a bordo di New Horizons (che avrà una migliore sensibilità e sonda una gamma diversa dello spettro) e futuri studi sull’attenuazione dei raggi gamma ad altissima energia verificheranno anche questa ipotesi ed espanderanno la ricerca della materia oscura a un più ampia gamma di frequenze”.

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.