Hubble Telescope punti “Hidden Galaxy” dietro Milky Way

I fisici hanno fissato il limite più preciso finora alla massa della materia oscura, la sostanza misteriosa ed elusiva che si pensa costituisca il 98 per cento di tutta la materia nell'universo e quasi un quarto della sua massa totale.

I ricercatori hanno utilizzato i dati del Fermi Gamma-ray This Web Telescope della NASA per impostare i parametri sulla massa delle particelle di materia oscura calcolando la velocità con cui sembrano entrare in collisione con i loro partner di antimateria e annientarsi a vicenda nelle galassie che orbitano attorno alla nostra Via Lattea.

Savvas Koushiappas, un assistente professore nel dipartimento di fisica della Brown University, e lo studente laureato Alex Geringer-Sameth hanno scoperto che le particelle di materia oscura devono avere una massa maggiore di 40 gigaelettronvolt (GeV) circa 42 volte la massa di un protone.

"Quello che troviamo è che se la massa di una particella è inferiore a 40 GeV, allora non può essere la particella di materia oscura", ha detto Koushiappas in una dichiarazione.

I dettagli dello studio saranno pubblicati nel numero del 1° dicembre della rivista Physical Review Letters.

Mettere in dubbio i risultati precedenti

I risultati mettono in discussione le recenti scoperte di esperimenti sotterranei che hanno riportato il potenziale rilevamento della materia oscura, hanno affermato i ricercatori.

Questi esperimenti affermavano di aver trovato particelle di materia oscura con masse comprese tra 7 e 12 GeV, che è significativamente inferiore al limite determinato dal nuovo studio. [Fisica contorta: 7 risultati strabilianti]

La materia oscura è invisibile e gli scienziati hanno cercato a lungo invano di rilevare direttamente le particelle misteriose. Ma poiché la materia oscura ha massa, la sua presenza viene dedotta in base all'attrazione gravitazionale che esercita sulla materia regolare.

Ma è più complicato di così. Negli anni '20, l'astronomo Edwin Hubble scoprì che l'universo non è statico, ma si sta espandendo. Più di 70 anni dopo, le osservazioni dell'Hubble This Web Telescope, che prese il nome dall'astronomo, scoprirono che l'universo si stava espandendo a un ritmo molto più rapido di prima.

I cosmologi pensano che dietro questa accelerazione sconcertante ci sia una forza misteriosa chiamata energia oscura. L'energia oscura, come la materia oscura, non è stata rilevata direttamente, ma si pensa che sia la forza che separa il cosmo a velocità sempre crescenti.

"Se, per amor di discussione, la massa di una particella di materia oscura è inferiore a 40 GeV, significa che la quantità di materia oscura nell'universo oggi sarebbe tale che l'universo non si espanderebbe alla velocità accelerata che osserviamo", disse Koushiappas.

Il nostro complicato universo

Si pensa che l'energia oscura rappresenti il ​​73% della massa e dell'energia totali nell'universo. La materia oscura rappresenta il 23%, il che lascia solo il 4% dell'universo composto dalla materia regolare che può essere vista, come stelle, pianeti, galassie e persone.

Ma poiché né la materia oscura né l'energia oscura sono state rilevate direttamente, rimangono concetti non provati.

Per almeno un aspetto, si pensa che la materia oscura si comporti come la materia normale: quando una particella di materia oscura incontra il suo partner di antimateria corrispondente, dovrebbero distruggersi a vicenda. L'antimateria è una sorella della materia normale; si pensa che esista una particella partner di antimateria per ogni particella di materia, con la stessa massa ma carica opposta.

Gli scienziati sospettano che la materia oscura sia composta da particelle chiamate WIMP ("particelle massicce debolmente interagenti"). Quando un WIMP e la sua antiparticella entrano in collisione, dovrebbero annientarsi a vicenda.

Per esaminare la massa della materia oscura, Koushiappas e Geringer-Sameth hanno sostanzialmente invertito il processo di annientamento. I ricercatori hanno osservato sette galassie nane che si pensa siano piene di materia oscura perché il movimento delle stelle al loro interno non può essere completamente spiegato dalla loro massa.

Poiché queste galassie nane contengono anche molto meno idrogeno gassoso e altra materia regolare, aiutano a dipingere un quadro più chiaro della materia oscura e dei suoi effetti, ha detto Koushiappas.

I fisici hanno lavorato a ritroso utilizzando i dati degli ultimi tre anni raccolti dal telescopio Fermi, che osserva l'universo alla luce dei raggi gamma ad alta energia. Misurando il numero di particelle di luce, chiamate fotoni, nelle galassie, gli scienziati hanno calcolato a ritroso per dedurre la frequenza con cui vengono prodotte particelle chiamate quark, che sono prodotti della reazione di annichilazione WIMP-anti-WIMP.

Ciò ha consentito ai fisici di stabilire limiti alla massa delle particelle di materia oscura e alla velocità con cui si annichilano.

"Questo è un momento molto eccitante nella ricerca della materia oscura, perché molti strumenti sperimentali stanno finalmente raggiungendo teorie di vecchia data su cosa sia effettivamente la materia oscura", ha affermato Geringer-Sameth in una nota. "Stiamo iniziando a mettere davvero alla prova queste teorie".

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