“Il mio obiettivo è semplice. È la completa comprensione dell’universo, perché è fatto così com’è e perché in effetti esiste.”
— Stephen Hawking
Negli ultimi anni, la comunità scientifica ha rilevato un fenomeno particolarmente interessante e ancora non completamente spiegato: un’anomala ionizzazione nella Zona Molecolare Centrale (CMZ) situata nel centro della Via Lattea. Tale regione è caratterizzata da un’alta densità di gas molecolare e, sorprendentemente, mostra tassi di ionizzazione molto più elevati rispetto al resto della galassia. Le osservazioni indicano che la fonte di questa ionizzazione potrebbe essere dovuta a particelle di materia oscura con massa inferiore a 100 MeV, fenomeno che sfugge ai modelli cosmologici e astrofisici attualmente accettati. Questo articolo esplorerà i risultati di recenti studi che ipotizzano una possibile spiegazione legata alla materia oscura e le implicazioni di tali scoperte nel comprendere alcuni dei misteri più affascinanti del cosmo.
Luque, P. D. la T., Balaji, S., & Silk, J. (2025). Anomalous Ionization in the Central Molecular Zone by Sub-GeV Dark Matter. Physical Review Letters, 134(10), 101001. doi:10.1103/PhysRevLett.134.101001
La ionizzazione anomala e le sue origini
Gli scienziati hanno scoperto che la Zona Molecolare Centrale mostra una ionizzazione molto più elevata rispetto al previsto. Questa evidenza è stata supportata da traccianti come la produzione di metanolo e l’osservazione di linee di H3+. Tali osservazioni suggeriscono un tasso di ionizzazione pari a ζ ~ 10^-15 s^-1 per il metanolo e ζ ~ 2 × 10^-14 s^-1 per H3+. Tuttavia, i raggi cosmici diffusi sembrano incapaci di spiegare un tasso così alto di ionizzazione, richiedendo potenze di iniezione estremamente elevate e poco realistiche.
Una delle ipotesi avanzate per spiegare il fenomeno è l’annichilazione di particelle di materia oscura sub-GeV in coppie di elettroni e positroni. Questo processo potrebbe essere in grado di generare il tasso di ionizzazione osservato senza violare i vincoli imposti dai modelli cosmologici esistenti.
La materia oscura sub-GeV come possibile spiegazione
Le particelle di materia oscura di massa inferiore a 100 MeV, annichilendo in coppie di elettroni e positroni, potrebbero essere responsabili della ionizzazione anomala osservata nella CMZ. Secondo i modelli teorici, il processo di annichilazione produrrebbe particelle cariche che rilasciano energia attraverso l’interazione con il gas molecolare denso presente nella CMZ. Questo spiegherebbe il motivo per cui il fenomeno è così concentrato intorno al centro galattico.
Le analisi più recenti mostrano che, per particelle con masse tra 1 MeV e 10 MeV, e con sezioni d’urto appropriate, è possibile raggiungere i tassi di ionizzazione misurati. Tali valori sono compatibili con le distribuzioni di materia oscura che presentano picchi centrali, come il profilo Navarro-Frenk-White (NFW) e il profilo di Moore. Tuttavia, si evidenzia come l’annichilazione della materia oscura non generi emissioni secondarie rilevabili come radiazione a raggi X o gamma, il che rende questa ipotesi particolarmente interessante.
Il mistero della linea di emissione a 511 keV
Un altro fenomeno intrigante osservato nel centro galattico è la presenza di una linea di emissione a 511 keV, attribuibile al decadimento del positronio, una particella formata dall’interazione tra un elettrone e un positrone. Anche in questo caso, si ipotizza che la materia oscura sub-GeV possa essere una spiegazione plausibile. Tuttavia, la produzione di positroni necessaria per generare tale emissione appare inferiore rispetto a quella richiesta per spiegare l’anomala ionizzazione della CMZ.
Ciò suggerisce che, sebbene i due fenomeni possano essere correlati, è probabile che l’annichilazione della materia oscura produca prevalentemente elettroni o protoni ionizzanti, piuttosto che positroni. Tale scenario permetterebbe di mantenere una produzione ridotta di radiazione a 511 keV, senza escludere del tutto l’ipotesi della materia oscura.
Possibili scenari e limiti dei modelli
Gli studi teorici dimostrano che l’annichilazione della materia oscura sub-GeV potrebbe effettivamente spiegare i tassi di ionizzazione osservati nella CMZ, pur rimanendo compatibile con i vincoli cosmologici e astrofisici attuali. Tuttavia, rimangono alcune incertezze significative legate alla diffusione delle particelle prodotte e al loro comportamento all’interno del gas molecolare denso della CMZ. Inoltre, le osservazioni attuali non consentono di escludere completamente la possibilità che i fenomeni osservati siano il risultato di fonti astrofisiche più convenzionali.
In conclusione…
L’ipotesi che la materia oscura sub-GeV possa spiegare l’anomala ionizzazione della CMZ e la linea di emissione a 511 keV apre scenari affascinanti per la ricerca astrofisica. Ulteriori osservazioni, specialmente con strumenti capaci di migliorare la risoluzione spaziale e la sensibilità a queste emissioni, saranno fondamentali per confermare o confutare tali ipotesi. Comprendere la natura di questi fenomeni potrebbe contribuire in modo significativo a svelare il mistero della materia oscura e la sua interazione con il nostro universo visibile.
