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Un autovelox per la materia oscura, rivisitato

20 novembre 2017

Courtesy of NASA, JPL-Caltech, Susan Stolovy (SSC/Caltech) et al.

Traduzione dell’articolo di Manuel Gnida apparso su Symmetry Magazine il 20/06/2017:
https://www.symmetrymagazine.org/article/a-speed-trap-for-dark-matter-revisited


Un esperimento missilistico della NASA potrebbe sfruttare l’effetto Doppler per cercare segnali di materia oscura nelle misteriose emissioni di
raggi X provenienti dallo spazio.

Lo scorso anno, le speranze dei ricercatori di trovare segnali di particelle di materia oscura nei dati raccolti dal satellite giapponese ASTRO-H/Hitomi sono andate deluse quando, dopo un mese dal lancio, il satellite ha evidenziato un malfunzionamento e ha cessato la sua attività.

Ora quell’idea potrebbe avere una seconda possibilità.

In un recente articolo, pubblicato su Physical Review D, alcuni scienziati del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un istituto congiunto con la Stanford University e lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia, lasciano intendere che il loro innovativo metodo di ricerca potrebbe funzionare altrettanto bene con il futuro esperimento missilistico, finanziato dalla NASA, Micro-X: un telescopio spaziale a raggi X agganciato a un missile per la ricerca scientifica.

Il metodo di ricerca si basa sull’individuazione di una differenza negli spostamenti Doppler associati al moto della materia oscura e a quello della materia ordinaria, spiega Devon Powell, uno studente laureato presso il KIPAC e principale autore dell’articolo assieme a Ranjan Laha, Kenny Ng e Tom Abel.

L’effetto Doppler è una variazione nella frequenza del suono o della luce che si verifica quando la sua sorgente si avvicina o si allontana dall’osservatore. Un esempio familiare è l’aumento e la caduta di tono del fischio di un treno in corsa; anche le pistole laser usate dalla polizia per cogliere chi supera il limite di velocità funzionano sulla base di questo principio. La tecnica di ricerca – detta Spettroscopio di Velocità per la Materia Oscura – è, quindi, una sorta di autovelox per materia oscura.

“Pensiamo che la materia oscura abbia velocità media pari a zero, mentre il nostro sistema solare è in movimento”, dice Laha, assegnista di ricerca presso il KIPAC.  “Per via di questo moto relativo, il segnale di materia oscura dovrebbe subire uno spostamento Doppler. Tuttavia, sarebbe completamente diverso da quello subito dai segnali emessi da oggetti astrofisici, perché questi ultimi, tipicamente, ruotano assieme al Sole intorno al centro della Galassia, mentre la materia oscura no. Ciò significa che dovremmo essere in grado di distinguere tra le tracce Doppler lasciate dalla materia oscura e quelle riconducibili alla materia ordinaria”.

I ricercatori dovrebbero cercare di leggere variazioni di frequenza nella misteriosa emissione di raggi X da 3500-electronvolt (3.5 keV) osservata dalla sonda europea XMM-Newton e dall’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA. Questa radiazione è difficile da spiegare sulla base dei processi astrofisici a noi noti: alcuni sostengono che potrebbe trattarsi della traccia del decadimento di ipotetiche particelle di materia oscura dette neutrini sterili.

“La sfida è scoprire se questi raggi X sono dovuti alla materia oscura o ad altre sorgenti astrofisiche”, spiega Powell. “Cerchiamo un modo per individuare la differenza”.

L’idea alla base di tale approccio non è nuova: già nello scorso anno Laha e altri illustrarono il metodo in un articolo, nel quale suggerirono di studiare lo spostamento Doppler nei dati raccolti dalla sonda Hitomi. Nonostante questa sia riuscita a inviare sulla Terra una certa quantità di dati prima di disintegrarsi, non sono state trovate tracce di segnali a 3.5 keV, mettendo in dubbio l’interpretazione secondo la quale sarebbero prodotti dal decadimento di particelle di materia oscura. La tecnica dello Spettroscopio di Velocità non è mai stata applicata e il problema resta irrisolto.

Nell’esperimento Micro-X, un razzo lancerà un piccolo telescopio oltre l’atmosfera terrestre per circa cinque minuti, raccogliendo raggi X provenienti da una specifica direzione nel cielo. L’apparato verrà poi fatto atterrare mediante un paracadute, per essere recuperato. I ricercatori confidano che Micro-X compia numerosi voli, realizzando così un autovelox per la materia oscura.

“Poiché il nostro sistema solare si muove con velocità relativamente bassa, ci aspettiamo che le variazioni di energia nei segnali dalla materia oscura siano molto piccole”, afferma Laha. “Ecco perché ci occorre una strumentazione all’avanguardia, ad altissima risoluzione energetica. I nostri studi dimostrano che lo Spettroscopio di Velocità potrebbe essere realizzato con successo con Micro-X e proponiamo sei diverse direzioni verso cui puntare, lontano dal centro della Via Lattea”.

Esra Bulbul del MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research – il quale non ha preso parte alla ricerca – dice, “In assenza di osservazioni da parte di Hitomi, la tecnica delineata per Micro-X offre un’alternativa promettente per verificare che la linea a 3.5 keV origini dalla materia oscura”. Tuttavia Bulbul, principale autore dell’articolo in cui per la prima volta venne riportata notizia del misterioso segnale nella combinazione di dati di 73 ammassi galattici, sottolinea inoltre che l’analisi Micro-X risulterebbe limitata alla nostra sola galassia.

Lo studio di fattibilità condotto su Micro-X è più dettagliato della precedente analisi condotta per Hitomi. “Il primo articolo presentava un certo grado di approssimazione — ad esempio, assumeva sferici gli aloni di materia oscura delle galassie, mentre sappiamo che non è così” afferma Powell. “Questa volta abbiamo effettuato simulazioni al computer evitando approssimazioni e calcolando con molta precisione ciò che Micro-X potrà effettivamente osservare”.

Gli autori sostengono che il loro metodo non si limita alla linea a 3.5 keV, ma può essere applicato a qualsiasi nitido segnale potenzialmente associato alla materia oscura. Essi sperano che il primo test di prova di Micro-X possa presto diventare realtà.

“Ci piace davvero l’idea illustrata nell’articolo”, dichiara Enectali Figueroa-Feliciano, principale ricercatore di Micro-X presso la Northwestern University, il quale non ha partecipato allo studio. “Indagheremo per la prima volta il cuore della Via Lattea, dove si concentra la maggior parte della materia oscura. Se dovessimo scorgere una riga non ancora identificata ed essa fosse abbastanza intensa, il passo successivo sarebbe cercare spostamenti Doppler lontano dal centro”.

 

Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione LNF

Ultima modifica: 21 novembre 2017