AXIS Could Have Accessed Dark Matter Decays

La materia oscura è l'impalcatura invisibile che tiene insieme l'universo. Gli astronomi sanno che è presente perché le galassie ruotano troppo velocemente per essere trattenute solo dalla gravità delle stelle visibili, e perché la luce degli oggetti distanti si piega attorno a una massa invisibile. Eppure, nonostante decenni di ricerche, nessuno ha mai visto direttamente una particella di materia oscura. Essa non brilla, non riflette la luce né interagisce con la materia ordinaria in alcun modo facilmente rilevabile. Un'idea principale per risolvere questo mistero è che la materia oscura non sia perfettamente stabile. Invece, potrebbe essere una particella pesante e a lento movimento che occasionalmente decade, frammentandosi in particelle più leggere, inclusi i fotoni, che sono particelle di luce. Se ciò accade, quei fotoni arriverebbero sulla Terra come un segnale di raggi X molto specifico e debole, distinto dal caos della radiazione cosmica di fondo. Trovare questo segnale sarebbe un modo diretto per identificare di cosa sia fatta la materia oscura.

Un team di ricercatori ha recentemente esplorato quanto bene un proposto telescopio spaziale, chiamato Advanced X-ray Imaging Satellite, o AXIS, potrebbe dare la caccia a questi deboli segnali. Sebbene la missione non sia mai stata costruita, gli scienziati hanno utilizzato i piani di progettazione dettagliati per simulare come l'strumento avrebbe performato. Il loro obiettivo era vedere se un osservatorio con le specifiche capacità di AXIS potesse individuare il bagliore rivelatore del decadimento della materia oscura nel centro della nostra galassia. Lo studio ha dimostrato che un tale telescopio sarebbe uno strumento potente, capace di rilevare i decadimenti della materia oscura con una sensibilità molto superiore a quella degli attuali telescopi, migliorando potenzialmente i limiti esistenti di un fattore dieci in determinati intervalli di massa.

I ricercatori si sono concentrati sul Centro Galattico, il nucleo denso della Via Lattea, dove si prevede che la concentazione di materia oscura sia massima. Hanno modellato due diversi modi in cui questa materia oscura potrebbe essere distribuita in una nube attorno al centro della nostra galassia. In uno scenario, la densità della materia oscura aumenta bruscamente verso il centro, mentre nell'altro, aumenta più dolcemente. Hanno anche tenuto conto del fatto che l'universo è pieno di materia oscura ovunque, non solo nella nostra galassia. I fotoni provenienti dal decadimento della materia oscura in galassie distanti raggiungerebbero comunque noi, sebbene verrebbero allungati a energie inferiori dall'espansione dell'universo. Il team ha combinato queste sorgenti per prevedere il numero totale di fotoni X che un telescopio simile ad AXIS raccoglierebbe durante un lungo periodo di osservazione.

Per determinare se il telescopio potesse effettivamente trovare il segnale, gli scienziati hanno dovuto tenere conto del rumore che lo avrebbe soffocato. Nel cielo a raggi X, esiste un costante ronzio di radiazione di fondo proveniente da gas caldi nella nostra galassia, lontani buchi neri attivi e particelle che colpiscono il telescopio stesso. Il team ha utilizzato i file di simulazione più recenti per lo strumento AXIS per calcolare esattamente quanti fotoni di fondo apparirebbero nel rilevatore. Hanno poi confrontato questo rumore con il numero minuscolo di fotoni extra che apparirebbero se la materia oscura stesse decadendo. La chiave del loro successo risiede nel design del telescopio: esso avrebbe una superficie di raccolta molto ampia per catturare quanti più fotoni possibile, un campo visivo vasto per scansionare una grande porzione di cielo e la capacità di focalizzare i raggi X con estrema precisione, risolvendo dettagli piccoli quanto pochi arcosecondi. Questa messa a fuoco nitida aiuterebbe a separare il debole segnale della materia oscura dal bagliore confuso di altre sorgenti cosmiche.

I risultati della simulazione hanno mostrato che uno strumento simile ad AXIS sarebbe in grado di sondare tempi di vita della materia oscura fino a circa 10 alla potenza di 31 secondi. Per mettere questo numero in prospettiva, l'universo ha solo circa 13,8 miliardi di anni, che corrispondono a circa 4 alla potenza di 17 secondi. Ciò significa che il telescopio potrebbe rilevare particelle di materia oscura così stabili da vivere per trilioni di volte più a lungo dell'attuale età dell'universo. Lo studio ha dimostrato che per un ampio intervallo di possibili masse della materia oscura, specificamente nella scala dei kilo-elettronvolt, il nuovo telescopio sarebbe in grado di vedere decadimenti che sono attualmente invisibili ai nostri migliori osservatori esistenti. Il miglioramento della sensibilità sarebbe significativo, raggiungendo livelli di un ordine di grandezza migliori rispetto a quanto sia attualmente possibile.

I ricercatori hanno anche tradotto questi risultati generali nel linguaggio di due teorie specifiche su cosa potrebbe essere la materia oscura. La prima teoria riguarda le particelle simili agli assioni, che sono particelle ipotetiche che potrebbero decadere in due fotoni. La seconda teoria riguarda i neutrini sterili, un tipo di neutrino pesante che interagisce solo attraverso la gravità e potrebbe decadere in un singolo fotone e un neutrino standard. Applicando i risultati della loro simulazione a queste teorie, il team ha dimostrato che un telescopio simile ad AXIS potrebbe scoprire queste particelle o escludere ampie porzioni dello spazio dei parametri in cui esse potrebbero esistere. Per il neutrino sterile, lo studio ha confermato che il telescopio potrebbe testare masse che sono attualmente consentite da altri vincoli ma che non sono ancora state direttamente osservate.

Sebbene la missione AXIS stessa non sia stata selezionata per la costruzione, questo lavoro serve come un fondamentale punto di riferimento per il futuro dell'astronomia a raggi X. Lo studio prova che la combinazione di una grande area di raccolta, un ampio campo visivo e un'imaging ad alta risoluzione è la ricetta ideale per dare la caccia a deboli e strette linee di luce dal decadimento della materia oscura. I ricercatori hanno osservato che altre missioni proposte, come la Line Emission Mapper, potrebbero raggiungere una sensibilità ancora maggiore grazie alla loro superiore risoluzione energetica, che permetterebbe di distinguere il segnale dal rumore di fondo in modo ancora più efficace. Tuttavia, il concetto di AXIS rimane un forte esempio del tipo di strumento necessario per catturare finalmente un'occhiata alla materia invisibile che modella il nostro cosmo. Le conclusioni suggeriscono che, se la materia oscura decade affatto, saranno le prossime generazioni di telescopi a raggi X a trovarla.