No passado recente, missões espaciais dedicadas ao estudo de sinais astrofísicos no espectro de alta energia revelaram uma série de excessos enigmáticos não previstos pelos modelos teóricos. Para encontrar uma explicação para essas anomalias, muitas soluções foram propostas. A hipótese mais emocionante invoca a contribuição da indescritível matéria escura, a forma misteriosa da matéria quatro vezes mais abundante do que a matéria bariônica, e dos quais os cientistas detectaram até agora apenas efeitos gravitacionais.

Dois estudos teóricos recentes realizados por Mattia di Mauro, pesquisador da divisão de Torino do INFN, um dos quais apareceu hoje em Revisão Física D , confirmar que esta explicação é compatível com excessos medidos, demonstrando ainda que não é refutado por discrepâncias potenciais entre dados teóricos e observacionais. Os resultados obtidos são baseados em uma análise inovadora e refinada comparando dados adquiridos nos últimos 11 anos pelo principal instrumento a bordo do Fermi da NASA, o Fermi Large Area Telescope (LAT), com medições de outras anomalias astronômicas registradas pelo detector em órbita Pamela e pelo experimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) a bordo da Estação Espacial Internacional. Pamela e AMS são administradas por colaborações internacionais nas quais INFN desempenha um papel decisivo.

A partir de 2009, o ano em que as medições de Fermi mostraram um excedente de fótons com energias iguais ou superiores a 1 GeV (2.000 vezes a massa de um elétron) vindos do centro de nossa galáxia, a comunidade astrofísica tentou explicar as observações de várias maneiras, incluindo a possível presença de milhares de pulsares fracos perto do centro galáctico e a contribuição potencial de raios gama fornecida pela matéria escura. Essas análises estavam sujeitas a grande incerteza, uma vez que se referiam a modelos do chamado fundo de raios gama astrofísico, produzidos por raios cósmicos ou por fontes conhecidas, que, embora capaz de incluir uma certa variabilidade, estão sujeitos a grande erro.

Para descrever as propriedades do excesso de raios gama com mais precisão e avaliar se é realmente compatível com a matéria escura, o novo estudo baseou-se no mais amplo conjunto de dados coletados no ano passado pelo LAT, e usou uma técnica de análise que minimiza as incertezas do fundo astrofísico ao adotar vários modelos. "A metodologia de análise utilizada, "explica Mattia di Mauro, "forneceu informações muito relevantes sobre a distribuição espacial do excesso de radiação gama, o que pode explicar o que gera o excesso de fótons de alta energia no centro galáctico. Se o excesso fosse, por exemplo, causado pela interação entre raios cósmicos e átomos, esperaríamos observar sua maior distribuição espacial em energias mais baixas e sua difusão mais baixa em energias mais altas devido à propagação de partículas cósmicas. Meu estudo, por outro lado, sublinha como a distribuição espacial do excesso não muda em função da energia. Este aspecto nunca havia sido observado antes e poderia ser explicado pela interpretação da presença de matéria escura. Isso ocorre porque pensamos que as partículas que compõem o halo de matéria escura deveriam ter energias semelhantes. A análise mostra claramente que o excesso de raios gama está concentrado no centro galáctico, exatamente o que esperaríamos encontrar no coração da Via Láctea se a matéria escura fosse de fato um novo tipo de partícula. "

Um segundo estudo, que será publicado na mesma revista, examina a validade da hipótese da matéria escura usando as previsões de um modelo maior que descreve as possíveis interações de partículas deste componente indescritível do universo. Um modelo teórico demonstrou como a existência de partículas de matéria escura não é contestada por outras anomalias registradas no fundo astrofísico. Isso inclui o excesso de pósitrons medido por Pamela e AMS-02, se atribuído a um excedente de matéria escura, e a não detecção de fótons de alta energia de galáxias anãs próximas à nossa, cujos movimentos estelares implicam na presença de altas concentrações de matéria escura.

Di Mauro diz, "Partindo do modelo físico desenvolvido neste segundo estudo, depois de considerar diferentes resultados para a interação e aniquilação de partículas de matéria escura, alternativas que precedem a produção de fótons de alta energia, verificamos qual dessas possibilidades está mais de acordo com o excesso de raios gama do centro galáctico, ao mesmo tempo, considerando o excesso de pósitrons e a não detecção de raios gama de galáxias anãs. Esta comparação tornou capaz de derivar propriedades precisas da matéria escura, propriedades compatíveis com o excesso do centro galáctico e os limites superiores encontrados com outros dados de partículas. "