Il bagliore dei raggi gamma che fa luce sulla materia oscura

La ricerca di UniTo, Stanford e INFN che può risolvere uno dei più grandi enigmi dell’universo

Un gruppo di ricercatori, guidato da S. Ammazzalorso, S. Camera, M. Regis e N. Fornengo del Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino e della Sezione di Torino dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e da D. Gruen del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology della Stanford University, ha compiuto un passo in avanti nel comprendere l'origine di un debole bagliore di raggi gamma che permea il cosmo.

I ricercatori hanno scoperto che esiste una correlazione tra la luminosità di questa radiazione, estremamente energetica, e le regioni dell’Universo che contengono molta materia oscura viste attraverso il fenomeno cosiddetto di lente gravitazionale. Questa correlazione, predetta teoricamente nel 2013 dallo stesso gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica di UniTo, è stata ora osservata per la prima volta. Il risultato potrà aiutare i ricercatori a comprendere le proprietà degli oggetti astrofisici in grado di emettere questa radiazione e portare nuova luce alla spiegazione del mistero della materia oscura dell’Universo.

Il bagliore, noto come radiazione di fondo di raggi gamma non risolto, proviene da sorgenti così deboli e lontane che i ricercatori non possono identificarle individualmente. Tuttavia, l’ipotesi avanzata nel 2013 e ora confermata con i dati nel frattempo diventati disponibili, è che le regioni di Universo in cui hanno origine questi raggi gamma debbano coincidere con quelle in cui si trova la massa nell'Universo distante, e il modo in cui fluttuazioni nella luminosità della radiazione gamma sono correlate alle fluttuazioni della materia oscura debba contenere la chiave per comprenderne l’origine.

La materia oscura stessa potrebbe emettere un debole bagliore gamma: da qui l’interesse per studiare questa correlazione, in quanto potenzialmente in grado di identificare la natura di questa elusiva componente dell’Universo, della quale al momento si sa solo che esiste ma non da cosa sia composta.

Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, ha utilizzato un anno di dati del Dark Energy Survey (DES), che acquisisce immagini ottiche del cielo ed è in grado di realizzare una mappa della materia oscura sfruttando le minuscole distorsioni delle immagini delle galassie lontane dovute dalla presenza della materia oscura – un effetto noto come lente gravitazionale – e nove anni di dati dal telescopio spaziale Fermi Large Area Telescope, che osserva i raggi gamma cosmici mentre orbita attorno alla Terra e a cui partecipano l’INFN, l’INAF e l’ASI in collaborazione con la NASA.

“Il segnale che abbiamo osservato ha in larga parte le caratteristiche attese nel caso in cui la radiazione gamma sia emessa da sorgenti astrofisiche note come blazar – galassie attive con un buco nero supermassiccio al loro centro”. Ha spiegato il Prof. Nicolao Fornengo del Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino. “Mentre il buco nero inghiottisce la materia che lo circonda, viene emesso un getto di radiazione gamma che, se diretto verso di noi, viene intercettato dal satellite Fermi. La cosa interessante però è che la correlazione misurata non corrisponde completamente alle aspettative teoriche nel caso sia causata solo dai blazars.
Questo lascia spazio alla possibilità che una parte del segnale sia originato proprio dalla materia oscura stessa e ne ha appunto le giuste caratteristiche. Il risultato potrebbe quindi fornire una soluzione al problema della materia oscura, dimostrando che essa è formata da un nuovo tipo di particelle, capaci di produrre radiazione attraverso un processo chiamato annichilazione, fornendo anche indicazioni sulla sua massa e sulle sue interazioni.”

Per approfondire l’impatto di questo studio sulla comprensione della natura materia oscura, i ricercatori sono in procinto di analizzare i nuovi dati che nel frattempo si sono resi disponibili dalle campagne osservative di DES e Fermi.

Lo studio è disponibile in formato open access a questo link: https://arxiv.org/abs/1907.13484.

Le Scienze

GLI ASTRONOMI HANNO VISTO LA FUSIONE DI DUE STELLE DI NEUTRONI, COSÌ DENSE DA COSTITUIRE UNO STATO ESTREMO DELLA MATERIA (VIDEO)

1.NUOVA ERA DELL'ASTRONOMIA, L'UNIVERSO MAI VISTO PRIMA

(ANSA) - Da oggi l'astronomia non è più la stessa: una rivoluzione come quella di Galileo quando puntò il cannocchiale verso il cielo. E' stato infatti catturato il segnale generato dalla fusione di due stelle di neutroni, così dense da costituire uno stato estremo della materia.

Lo hanno ascoltato e visto i rivelatori di onde gravitazionali Ligo e Virgo e 70 telescopi da Terra e spaziali, con una cascata di scoperte. L'annuncio in contemporanea in Italia, Europa e Usa. Ruolo cruciale dell'Italia con Infn, Inaf e Asi.

TELESCOPIO ESO STELLE DI NEUTRONI

I risultati, presentati a Roma alla presenza del ministro per l'Istruzione, l'Università e la Ricerca Varia Fedeli, sono pubblicati su numerose riviste internazionali, fra le quali Physical Review Letters, Nature e Science, e segnano un passo in avanti epocale nella storia dell'astronomia. E' infatti la prima volta che un evento cosmico viene osservato sia con le onde gravitazionali sia con quelle elettromagnetiche, aprendo l'era dell'astronomia multimessaggero che, sfruttando contemporaneamente segnali diversi, trasforma il modo di vedere e ascoltare l'universo.

Per la prima volta, infatti, ci sono gli strumenti per ascoltare contemporaneamente segnali cosmici molto diversi, come le onde gravitazionali, quelli ottici, i raggi X e l'ultravioletto. L'Infn ha contribuito a questi risultati con il rivelatore di onde gravitazionali Virgo, che fa capo all'Osservatorio Gravitazionale Europeo (Ego) e si trova in Italia, a Cascina (Pisa). 

Insieme ai due strumenti del rivelatore americano Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), Virgo ha permesso di capire da dove proveniva il segnale dell'onda gravitazionale.

UNA STELLA DI NEUTRONI CONTRO LO SKYLINE DI CHICAGO

L'Inaf, con la sua rete di telescopi basati a Terra e nello spazio, è stato fra i primi al mondo a 'fotografare', riconoscere e descrivere la sorgente del segnale e l'Asi ha contribuito alle osservazioni grazie ai telescopi spaziali dedicati allo studio dei fenomeni più ricchi di energia dell'universo, come le emissioni di lampi gamma. Fra i telescopi a Terra che hanno contribuito alla ricerca ci sono Rem, Vst e Vlt, i telescopi spaziali sono Fermi e Integral, Swift, Chandra e Hubble.

2.VISTA NELL'UNIVERSO UNA 'FABBRICA' DI ORO E PLATINO

(ANSA) - Per la prima volta è stata osservata una 'fabbrica' di elementi pesanti, come oro e platino. E' la coppia di stelle di neutroni, così dense da essere considerate l'anticamera dei buchi neri, che fondendosi ha generato le onde gravitazionali ascoltate da Ligo e Virgo e poi l'esplosione accompagnata da un lampo di raggi gamma vista dal satellite Fermi e confermata dal satellite Integral dell'Agenzia Spaziale Europea (Esa). Poi i telescopi, molti dell'Inaf, hanno visto i segnali spia della nascita degli elementi pesanti.

LA SUPERNOVA

Dopo decine d'anni è stato risolto il mistero dell'origine di quasi la metà degli elementi più pesanti del ferro ed è arrivata anche la prima conferma diretta che le collisioni tra stelle di neutroni danno origine ai lampi di raggi gamma (o Gamma-Ray Burst, Grb) di breve durata. 

Le stelle di neutroni sono relitti cosmici, quello che resta quando una stella è esplosa in una supernova e poi la materia è collassata diventando straordinariamente densa e compatta.

Quando raggiunge questo stato estremo la materia non è più quella che conosciamo, fatta di atomi con nuclei composti da protoni e neutroni, ma è formata quasi del tutto da neutroni tenuti insieme da forze che impediscono loro di collassare del tutto. Una materia che si trova in questo stato estremo è l'anticamera di un buco nero, impossibile da riprodurre in laboratorio e mai osservata finora. Mentre si avvicinavano inesorabilmente ruotando l'una intorno all'altra, le due stelle di neutroni hanno emesso le onde gravitazionali ascoltate da Ligo e Virgo per circa 100 secondi. 

Quando si sono scontrate hanno emesso un lampo gamma, visto da Fermi circa due secondi dopo l'arrivo delle onde gravitazionali.

Questo lavoro di squadra ha permesso di localizzare le due stelle, indicate con la sigla AT2017gfo, nella periferia della galassia NGC4993, in direzione della costellazione dell'Idra e alla distanza di 130 milioni di anni luce.

Puntando in quella direzione i telescopi spaziali e a Terra gli astronomi, con l'Inaf in prima fila, hanno visto la fusione della coppia di stelle nella luce visibile, ai raggi X, ultravioletti, infrarossi e nelle onde radio, osservando i segnali spia della formazione dei metalli pesanti. 

Hanno contribuito all'osservazione telescopi spaziali, come Integral e Swift, ai quali partecipa l'Agenzia Spaziale Italiana (Asi), Chandra (Nasa) e Hubble (Nasa-Esa), e telescopi a Terra come Rem (Rapid Eye Mount) e quelli dell'Osservatorio Europeo Australe (Eso) Vlt (Very Large Telescope e Vst (Vlt survey telescope).

LA FUSIONE DI DUE STELLE DI NEUTRONI

3.NUOVA ASTRONOMIA: GEMME (INFN), RISULTATI SENZA PRECEDENTI

(ANSA) - Sono "senza precedenti" i risultati scaturiti dalla prima osservazione corale della collisione di due stelle di neutroni. "Non ho mai vissuto un'esperienza simile" ed è "la prima volta in assoluto che si studia una sorgente utilizzando circa 70 strumenti da Terra e dallo spazio", ha detto all'ANSA il fisico Gianluca Gemme, coordinatore nazionale del rivelatore Virgo per l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) .

La scoperta delle onde gravitazionali, ha aggiunto, "è stata un momento storico, ma la ricchezza delle osservazioni venute in seguito è ancora superiore perché il numero di strumenti e di comunità scientifiche coinvolti in questa nuova osservazione non ha precedenti. Credo sia un fatto unico". Certamente, ha aggiunto, "è l'inizio dell'astronomia multi messaggero", la nuova astronomia che si basa su segnali che viaggiano su lunghezze d'onda diverse, come quelli ottici, i raggi gamma, i raggi X, l'ultravioletto.

LA FUSIONE DI DUE STELLE DI NEUTRONI COPIA

"In tutto questo - ha rilevato - l'ingresso di Virgo è stato determinante" e complessivamente, ha aggiunto, "abbiamo ottenuto una quantità di risultati estremamente interessanti che ci ha letteralmente travolto". 

Oltre a essere il primo segnale prodotto da due stelle di neutroni, quello rilevato il 17 agosto 2017 e reso noto oggi è "il segnale più forte e il più vicino mai osservato, da masse molto piccole". 

E' infatti avvenuto alla distanza di 130 milioni di anni luce, contro il miliardo e mezzo di distanza dei primi due buchi neri ascoltati nel 2015 dai rivelatori di onde gravitazionali.

Fonte: qui

STELLE DI NEUTRONI SONO UNA SORGENTE D ONDE GRAVITAZIONALI