Astrophysical Signatures of Fermionic Dark Matter

L'universo è pieno di molto altro che non solo le stelle, i pianeti e le nubi di gas che possiamo vedere. Gli astronomi sanno da tempo che una vasta, invisibile sostanza chiamata materia oscura tiene insieme le galassie, agendo come una colla gravitazionale che impedisce loro di volare via. Sebbene questa sostanza costituisca circa un quarto dell'universo, la sua vera natura rimane uno dei più grandi misteri della scienza. Sappiamo che non emette luce e interagisce con la materia ordinaria quasi esclusivamente attraverso la gravità, ma non sappiamo di quali particelle sia composta. Un'idea principale suggerisce che la materia oscura consista in particelle pesanti e lente che si comportano come fermioni, una classe di particelle che include elettroni e protoni. Poiché queste particelle non possono occupare lo stesso spazio nello stesso momento, generano una sorta di pressione interna che può sostenere strutture massicce contro la propria gravità, proprio come la pressione elettronica impedisce a una nana bianca di collassare. Se tali particelle esistessero, potrebbero non limitarsi a fluttuare liberamente nello spazio; potrebbero aggregarsi per formare oggetti compatti e invisibili.

Un team di ricercatori presso la Christ University in India si è posto l'obiettivo di indagare se queste particelle di materia oscura fermionica potessero effettivamente formare tali oggetti compatti e, in tal caso, quale sarebbe il loro aspetto. Hanno iniziato calcolando la massa teorica di questi oggetti basandosi sul peso delle particelle di materia oscura stesse. I loro modelli suggerivano che, se le particelle avessero una massa di circa 10 miliardi di elettronvolt, gli oggetti compatti risultanti peserebbero circa l'1,6 percento della massa del nostro Sole. Per testare se questi giganti invisibili potessero esistere, gli scienziati si sono rivolti al fenomeno del microlensing gravitazionale. Questo avviene quando un oggetto massiccio passa davanti a una stella lontana, piegando la luce della stella e causandone un temporaneo aumento di luminosità. Esaminando i dati provenienti da sondaggi che hanno monitorato milioni di stelle per questi brevi eventi di aumento di luminosità, i ricercatori hanno cercato segni di questi specifici oggetti di materia oscura. Hanno scoperto che oggetti con la massa da loro calcolata produrrebbero un numero di eventi di lensing coerente con i limiti osservativi, mentre versioni molto più leggere di questi oggetti creerebbero troppi eventi di aumento di luminosità, escludendo efficacemente l'esistenza di quei candidati più piccoli.

Dopo aver stabilito che questi oggetti potrebbero plausibilmente esistere entro i vincoli attuali, il team ha esplorato cosa accadrebbe se essi vagassero attraverso nubi di gas e polvere ordinaria. Mentre un oggetto compatto di materia oscura si muove nello spazio, la sua gravità attirerebbe l'idrogeno e l'elio circostanti, facendo riscaldare e brillare il gas. I ricercatori hanno calcolato la temperatura e l'energia di questo gas incandescente, scoprendo che raggiungerebbe temperature superiori ai 100 miliardi di gradi. Nonostante queste temperature estreme, la luce emessa dal gas raggiungerebbe picchi di energia molto inferiori a quelli necessari per spiegare un particolare enigma astronomico noto come l'eccesso di GeV del Centro Galattico. Questo eccesso è un inaspettato surplus di raggi gamma ad alta energia provenienti dal centro della nostra galassia, che alcuni scienziati speravano potesse essere causato dalla collisione e dall'annichilazione di particelle di materia oscura. Lo studio mostra che l'impulso di energia da questi oggetti compatti di materia oscura è troppo debole e troppo basso in energia per essere la fonte di quel segnale, suggerendo che questo particolare mistero debba essere risolto guardando altrove.

Sebbene questi oggetti non possano spiegare l'eccesso di raggi gamma, i ricercatori hanno trovato un'altra possibilità, più sottile. Hanno considerato l'idea che questi nuclei compatti di materia oscura potrebbero non essere pura materia oscura, ma potrebbero invece essere mescolati con la materia ordinaria barionica, quella che compone le stelle e i pianeti. Se tale miscela si formasse, l'oggetto sarebbe più pesante e grande di un ammasso di pura materia oscura. Il team ha calcolato che, se questi oggetti misti esistessero, potrebbero rendere conto di una parte significativa dei "barioni mancanti", ovvero la materia ordinaria che i cosmologi sanno essere presente ma che non è stata ancora rilevata nell'universo locale. A seconda di quanta materia ordinaria sia mescolata, questi oggetti potrebbero potenzialmente spiegare tra il 10 e il 90 percento della massa mancante. Tuttavia, gli autori sottolineano con cautela che questa è una possibilità teorica piuttosto che una soluzione confermata. Non hanno ancora determinato il processo fisico che permetterebbe alla materia oscura e alla materia ordinaria di mescolarsi e formare questi corpi stabili di dimensioni planetarie. Per ora, il lavoro funge da forte vincolo su ciò che questi oggetti di materia oscura possono essere, escludendo alcune idee e offrendo una nuova, silenziosa e plausibile dimora per la materia ordinaria mancante del cosmo.