In het recente verleden, ruimtemissies gewijd aan de studie van astrofysische signalen in het hoge-energiespectrum onthulden een reeks raadselachtige excessen die niet voorspeld werden door de theoretische modellen. Om een ​​verklaring voor deze anomalieën te vinden, veel oplossingen zijn voorgesteld. De meest opwindende hypothese beroept zich op de bijdrage van de ongrijpbare donkere materie, de mysterieuze vorm van materie die vier keer overvloediger is dan baryonische materie, en waarvan wetenschappers tot nu toe alleen zwaartekrachtseffecten hebben ontdekt.

Twee recente theoretische studies uitgevoerd door Mattia di Mauro, onderzoeker van de Turijnse afdeling van INFN, waarvan er vandaag één verscheen in Fysieke beoordeling D , bevestigen dat deze verklaring verenigbaar is met gemeten excessen, verder aantonen dat het niet wordt weerlegd door mogelijke discrepanties tussen theoretische en observationele gegevens. De verkregen resultaten zijn gebaseerd op een innovatieve en verfijnde analyse die gegevens vergelijkt die in de afgelopen 11 jaar zijn verkregen door het belangrijkste instrument aan boord van NASA's Fermi, de Fermi Large Area Telescope (LAT), met metingen van andere astronomische anomalieën die zijn geregistreerd door de in een baan om de aarde draaiende Pamela-detector en door het Alpha Magnetic Spectrometer-experiment (AMS-02) aan boord van het internationale ruimtestation. Pamela en AMS worden aangestuurd door internationale samenwerkingsverbanden waarin INFN een beslissende rol speelt.

Vanaf 2009 het jaar waarin Fermi-metingen een overschot aan fotonen lieten zien met energieën gelijk aan of groter dan 1 GeV (2000 keer de massa van een elektron) afkomstig uit het centrum van onze melkweg, de astrofysische gemeenschap heeft op verschillende manieren geprobeerd de waarnemingen te verklaren, inclusief de mogelijke aanwezigheid van duizenden zwakke pulsars nabij het galactische centrum en de potentiële bijdrage van gammastraling door donkere materie. Deze analyses waren onderhevig aan grote onzekerheid omdat ze verwezen naar modellen van de zogenaamde astrofysische gammastralingsachtergrond, geproduceerd door kosmische straling of door bekende bronnen, die, hoewel in staat om een ​​zekere variabiliteit op te nemen, zijn onderhevig aan grote fouten.

Om de eigenschappen van de overmaat aan gammastraling nauwkeuriger te beschrijven en om te beoordelen of het echt compatibel is met donkere materie, de nieuwe studie was gebaseerd op de breedste reeks gegevens die het afgelopen jaar door de LAT zijn verzameld, en gebruikte een analysetechniek die de onzekerheden van de astrofysische achtergrond minimaliseert door meerdere modellen aan te nemen. "De gebruikte analysemethode, " legt Mattia di Mauro uit, "heeft zeer relevante informatie opgeleverd over de ruimtelijke verdeling van overtollige gammastraling, die kan verklaren wat de overmaat aan hoogenergetische fotonen in het galactische centrum genereert. Als het eigen risico was, bijvoorbeeld, veroorzaakt door de interactie tussen kosmische straling en atomen, we zouden verwachten zijn grotere ruimtelijke verdeling bij lagere energieën en zijn lagere diffusie bij hogere energieën te observeren als gevolg van de voortplanting van kosmische deeltjes. Mijn studie, anderzijds, onderstreept hoe de ruimtelijke verdeling van het overschot niet verandert als functie van energie. Dit aspect was nog nooit eerder waargenomen en kan worden verklaard door de aanwezigheid van donkere materie, interpretatie van donkere materie. Dit komt omdat we denken dat de deeltjes waaruit de halo van de donkere materie bestaat, vergelijkbare energieën zouden moeten hebben. De analyse laat duidelijk zien dat de overmaat aan gammastraling geconcentreerd is in het galactische centrum, precies wat we zouden verwachten te vinden in het hart van de Melkweg als donkere materie in feite een nieuw soort deeltje is."

Een tweede studie, die in hetzelfde tijdschrift zal worden gepubliceerd, onderzoekt de validiteit van de donkere-materiehypothese met behulp van de voorspellingen van een groter model dat mogelijke deeltjesinteracties van deze ongrijpbare component van het universum beschrijft. Een theoretisch model toonde aan hoe het bestaan ​​van donkere materiedeeltjes niet wordt weerlegd door andere anomalieën die zijn vastgelegd in de astrofysische achtergrond. Deze omvatten de overmaat aan positronen gemeten door Pamela en AMS-02, indien toegeschreven aan een overschot aan donkere materie, en de niet-detectie van hoogenergetische fotonen van dwergstelsels dicht bij de onze, waarvan de stellaire bewegingen de aanwezigheid van hoge concentraties donkere materie impliceren.

Di Mauro zegt, "Uitgaande van het fysieke model ontwikkeld in deze tweede studie, na overweging van verschillende resultaten voor de interactie en annihilatie van donkere materiedeeltjes, alternatieven die vooraf zouden gaan aan de productie van hoogenergetische fotonen, we hebben nagegaan welke van deze mogelijkheden het beste overeenkwam met de overtollige gammastraling van het galactische centrum, terwijl ook rekening wordt gehouden met het overschot aan positronen en de niet-detectie van gammastraling van dwergsterrenstelsels. Deze vergelijking heeft het mogelijk gemaakt om nauwkeurige eigenschappen van de donkere materie af te leiden, eigenschappen die compatibel zijn met de overmaat van het galactische centrum en de bovengrenzen die gevonden zijn met andere deeltjesgegevens."