Il telescopio spaziale Fermi della NASA potrebbe aver rilevato per la prima volta prove dirette dell’esistenza della materia oscura. Tomonori Totani, astronomo dell’Università di Tokyo, ha identificato emissioni di raggi gamma a 20 gigaelectronvolt nel centro della Via Lattea, compatibili con la collisione di particelle WIMP teoriche. Lo spettro energetico corrisponde alle previsioni: particelle con massa 500 volte superiore a un protone che si annichiliscono rilasciando fotoni ad alta energia.
La scoperta, pubblicata sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, riaccende il dibattito scientifico. Gli esperti dell’INFN e della collaborazione Fermi-LAT invitano alla prudenza.
Fritz Zwicky e l’impalcatura invisibile dell’universo
Nel 1933, l’astronomo svizzero Fritz Zwicky osservava l’ammasso di Coma1. Applicando il teorema del viriale2, calcolò che le galassie si muovevano troppo velocemente per la massa visibile che contenevano. Serviva qualcosa come 400 volte la materia luminosa per impedire al cluster di disperdersi nello spazio. La chiamò dunkle Materie, materia oscura. I colleghi lo liquidarono come eccentrico. Servì un altro mezzo secolo e le osservazioni di Vera Rubin sulle curve di rotazione galattica per prendere sul serio quella materia fantasma che tiene insieme l’universo ma si rifiuta di farsi vedere.
Oggi sappiamo (o pensiamo di sapere) che il 27% dell’universo è composto da materia oscura. Il 68% da energia oscura. Solo il 5% è materia ordinaria. Ma in quasi un secolo nessuno è mai riuscito a osservare direttamente le particelle che compongono quel 27%. Finora.
Particelle WIMP: quando due fantasmi si scontrano
L’ipotesi più accreditata descrive la materia oscura come composta da WIMP: Weakly Interacting Massive Particles, particelle massicce che interagiscono debolmente. Più pesanti dei protoni ma quasi impossibili da rilevare perché non interagiscono con la forza elettromagnetica. Non assorbono, non riflettono, non emettono luce. Quando due WIMP collidono, però, dovrebbero annichilirsi rilasciando altre particelle, inclusi fotoni di raggi gamma ad altissima energia.
Totani ha analizzato 15 anni di dati del telescopio Fermi concentrandosi sull’alone galattico, una regione lontana dal piano della Via Lattea dove il “rumore” astrofisico è minore. Ha trovato un eccesso statisticamente significativo di raggi gamma con picco a 20 GeV, disposti in struttura sferica attorno al centro galattico. Esattamente dove la materia oscura dovrebbe concentrarsi. “La componente di emissione corrisponde alla forma attesa dall’alone di materia oscura”, spiega Totani. Un po’ come trovare l’impronta perfetta di un piede dove non hai mai visto nessuno camminare.
Il telescopio Fermi osserva questi segnali dal 2009. L’interpretazione è sempre stata divisa: materia oscura o pulsar millisecondo, stelle di neutroni che ruotano centinaia di volte al secondo? La frequenza di annichilazione stimata da Totani rientra nelle previsioni teoriche. Ma gli stessi segnali non appaiono nelle galassie nane satellite, dove la materia oscura dovrebbe essere altrettanto concentrata.
La cautela della comunità scientifica
Luca Latronico, ricercatore dell’INFN e della collaborazione Fermi-LAT, invita alla prudenza. “Le osservazioni di Fermi supportano un flusso elevato di fotoni dal centro galattico dal 2009. Negli anni questa emissione è stata interpretata diversamente: pulsar non risolte o annichilazione di WIMP”. Il problema è che Totani nota correttamente come questa interpretazione sia in disaccordo con la mancata osservazione di emissioni simili da altri addensamenti noti di materia oscura, come le galassie nane.
Miguel Ángel Sánchez Conde, ricercatore della collaborazione NASA Fermi-LAT, è ancora più esplicito: “Se confermato sarebbe uno dei grandi scoperte nella storia della scienza. Purtroppo, pese a essere un lavoro serio, contiene grandi incertezze. Risulta impossibile affermare che è la prima volta che si è vista la materia oscura”.
Lo stesso Totani ammette che serviranno conferme. “Per convincere tutti che si tratta davvero di materia oscura, il fattore decisivo sarà rilevare raggi gamma con lo stesso spettro da altre regioni, come le galassie nane. L’accumulo di ulteriori dati dal satellite Fermi e da grandi telescopi terrestri come il CTAO sarà cruciale”.
Un secolo di attesa per vedere l’invisibile
Siamo o non siamo di fronte alla prima osservazione diretta della materia oscura? La risposta richiede tempo, dati, verifiche incrociate. Totani ha trovato un segnale che si adatta perfettamente alle previsioni teoriche per le WIMP, ma la scienza non funziona con un singolo dataset per quanto raffinato. Serve replicabilità, coerenza con altre osservazioni, eliminazione di ipotesi alternative.
Se confermato, significherebbe che le WIMP sono la vera natura della materia oscura e che abbiamo scoperto una nuova particella elementare non inclusa nel Modello Standard della fisica. Un’altra crepa nel castello teorico che abbiamo costruito in un secolo. Se smentito, sarà un’altra pagina bianca nella storia di una sostanza che costituisce un quarto dell’universo ma continua a nascondersi così bene da sembrare quasi un dispetto cosmico.
Fritz Zwicky, che i colleghi chiamavano “bastardo sferico” perché era insopportabile da qualsiasi angolazione, aspetta ancora la sua vendetta definitiva. Quasi cent’anni dopo aver descritto quella dunkle Materie che teneva insieme l’ammasso di Coma, potremmo finalmente averne visto il volto. O almeno l’ombra.
- L’ammasso di Coma, chiamato anche Ammasso della Chioma di Berenice (Abell 1656), è un grande ammasso di galassie situato a circa 350 milioni di anni luce nella costellazione della Chioma di Berenice. È uno dei raggruppamenti di galassie più densi e massicci noti, estendendosi per oltre 20 milioni di anni luce di diametro. ↩︎
- In astrofisica, il teorema del viriale permette di stimare la massa totale di sistemi come ammassi di galassie (per esempio l’Ammasso di Coma) attraverso la misurazione delle velocità delle galassie al loro interno e delle loro distanze medie. ↩︎
