Ricerca unito: svelate 20.000 nuove sorgenti di raggi gamma nel cielo

Una nuovo studio sui raggi gamma misurati dal satellite Fermi fornisce una comprensione molto più profonda dell’Universo ad alta energia.

Dalla misura della luce e di altra radiazione cosmica emessa da stelle, galassie e altre strutture che popolano l’Universo, gli astronomi e astrofisici derivano informazioni cruciali sulle leggi fondamentali della Natura e sull'origine e composizione dell’Universo.

Un gruppo di ricerca guidato da ricercatori dell’Università di Torino e dell’INFN/Torino, composto da Hannes Zechlin, Alessandro Cuoco, Fiorenza Donato, Nicolao Fornengo e Andrea Vittino, ha identificato la presenza di circa 20.000 nuove sorgenti di raggi gamma, analizzando sei anni di dati raccolti dal Large Area Telescope (LAT) presente a bordo del telescopio spaziale Fermi. La radiazione misurata dallo strumento Fermi-LAT è di altissima energia e si colloca appunto nella banda dei raggi gamma: questa radiazione viene prodotta da oggetti astrofisici estremamente energetici, come supernove, buchi neri e galassie attive. Ci si aspetta che anche la materia oscura possa produrre radiazione gamma.

Il nuovo studio, pubblicato sull’Astrophysical Journal Supplements (ApJS), impiega una nuova tecnica di analisi dei dati, sviluppata in modo specifico dal gruppo di ricerca per identificare la presenza di sorgenti molto deboli nel cielo. Il metodo ha permesso agli autori di aumentare in modo significativo la sensibilità e di inferire così la presenza di un gran numero di nuove sorgenti, di cui fino ad ora si ignorava l’esistenza.

I cataloghi di sorgenti, ossia gli archivi di dati che contengono le informazioni sulle singole sorgenti, attualmente elencano le posizioni nel cielo di circa 3.000 emettitori gamma. In questa nuova analisi, gli autori hanno sviluppato una tecnica statistica avanzata che permette di mettere in evidenza la presenza di sorgenti molto più deboli di quelle che il telescopio può identificare: questa ha permesso di portare a 20.000 il numero di sorgenti di cui si percepisce la presenza nel cielo. È una tecnica che permette di identificare popolazioni di sorgenti invece che di vedere singole sorgenti brillanti. Così è possibile sentire la presenza di oggetti poco luminosi ma abbondanti. Anche se non si localizza nel cielo la posizione individuale di queste nuove sorgenti, ora sappiamo che esse esistono e sappiamo quanti raggi gamma emettono. Questo risultato è di grande importanza per la comprensione della composizione e delle proprietà dell’Universo estremo.

In un secondo lavoro Zechlin, Cuoco (ora alla Università di Aachen, in Germania), Donato e Fornengo assieme a Marco Regis hanno aggiunto un importante elemento a questo quadro, mostrando come la distribuzione di queste deboli sorgenti cambia con l’energia della radiazione che ci arriva. Questa nuova analisi permetterà di identificare la natura di queste sorgenti, e di approfondirne la loro comprensione.

Questi risultati saranno importanti anche per lo studio di una delle componenti più sfuggenti ma intriganti dell'Universo: la materia oscura. Una delle ipotesi più accreditate vede la materia oscura composta da particelle pesanti chiamate WIMP: anche se debolmente, le WIMP possono produrre radiazione di vario tipo, e questa rappresenta la finestra attraverso cui i fisici sperano di riuscire a identificarle. È ormai chiaro che la produzione di raggi gamma da parte della materia oscura è estremamente debole. Quindi una più profonda comprensione delle sorgenti astrofisiche, come quello ottenuto in queste due nuove analisi, consentirà di rimuovere a un livello senza precedenti il fondo dominante che nasconde il debolissimo segnale di materia oscura a lungo cercato.

Il Fermi Gamma-ray Space Telescope è un satellite per l'astronomia dei raggi gamma, che osserva il cielo da un’orbita bassa intorno alla Terra. Il Large Area Telescope (LAT) è uno dei due strumenti a bordo di Fermi, e opera in una modalità di indagine di tutto il cielo, raccogliendo raggi gamma a partire da decine di MeV di energia fino a centinaia di GeV. Queste caratteristiche rendono il LAT particolarmente adatto per lo studio dei nuclei galattici attivi, delle pulsar, di altre sorgenti di alta energia e della materia oscura. Fermi è stato lanciato l’11 giugno 2008 alle 16:05 UTC a bordo di un razzo Delta II 7920-H. La missione è condotta e supportata dalla NASA, dal Department of Energy (DOE) americano, e da enti governativi in Italia (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Agenzia Spaziale Italiana, Istituto Nazionale di Astrofisica), Francia (CEA/Irfu, IN2P3/CNRS, CNES), Giappone (MEXT, KEK, JAXA) e Svezia (K.A. Wallenberg Foundation, the Swedish Research Council and the National Space Board).