Il telescopio Fermi ha osservato chiaramente l'eccesso di emissione di raggi gamma al centro della nostra galassia, che appariva non sferica e appiattita. Denominato "Eccesso del Centro Galattico" (GCE), questo eccesso di raggi gamma è una possibile firma della materia oscura derivante dall'autoannichilazione di particelle massicce debolmente interagenti (WIMP), un candidato per la materia oscura. Tuttavia, l'eccesso di raggi gamma osservato al centro galattico potrebbe essere dovuto anche a vecchie pulsar al millisecondo (MSP). Finora, si riteneva che la morfologia del GCE dovuta alla materia oscura (DM) fosse sferica. Un recente studio di simulazione rivela che la morfologia dei raggi gamma dovuta alla DM potrebbe essere significativamente non sferica e appiattita. Ciò significa che sia le ipotesi di annichilazione di materia oscura (DM) che quelle di pulsar al millisecondo (MSP) per il GCE osservato sono ugualmente possibili. I raggi gamma prodotti nell'annichilazione della materia oscura (DM) avrebbero un livello energetico estremamente elevato, pari a circa 0.1 tera-elettronvolt (TeV). I telescopi standard per raggi gamma non sono in grado di rilevare direttamente questi fotoni ad alta energia. Pertanto, la conferma del modello di eccesso di centro galattico (GCE) della materia oscura (DM) sarebbe possibile al completamento degli studi condotti dagli osservatori di raggi gamma a tera come il Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) e il Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO).
La storia della materia oscura iniziò nel 1933, quando Fritz Zwicky osservò che le galassie in rapido movimento nell'Ammasso della Chioma non potevano rimanere unite e stabili senza la presenza di materia aggiuntiva, in qualche modo invisibile, ma in grado di esercitare un effetto gravitazionale sufficiente a impedire la disgregazione delle galassie. Coniò il termine "materia oscura" per riferirsi a tale materia invisibile. Negli anni '1960, Vera Rubin diede un contributo fondamentale alla nostra comprensione della materia oscura. Notò che le stelle ai margini esterni di Andromeda e di altre galassie ruotavano a una velocità pari a quella delle stelle verso il centro. Considerata la somma di tutta la materia osservata, la galassia avrebbe dovuto disgregarsi, rendendo necessaria la presenza di ulteriore materia invisibile che tenesse unite le galassie e le facesse ruotare ad alta velocità. Le sue misurazioni delle curve di rotazione della galassia di Andromeda fornirono le prime prove dell'esistenza della materia oscura.
Ora sappiamo che la materia oscura non interagisce con la luce o con la forza elettromagnetica. Non assorbe, riflette o emette luce o altre radiazioni elettromagnetiche ed è invisibile, quindi definita oscura. Ma si raggruppa gravitazionalmente e ha un effetto gravitazionale sulla materia ordinaria, ed è così che la sua presenza nello spazio viene generalmente dedotta. Le galassie sono tenute insieme in equilibrio dall'effetto gravitazionale della materia oscura, che costituisce fino al 26.8% del contenuto di massa ed energia dell'universo, mentre l'intero universo osservabile, inclusa tutta la materia barionica ordinaria di cui siamo composti, costituisce solo il 4.9% dell'universo. Il restante 68.3% del contenuto di massa ed energia dell'universo è energia oscura.
Non si sa cosa sia realmente la materia oscura. Non ci sono particelle fondamentali nella materia oscura. Modello Standard hanno le proprietà necessarie per essere materia oscura. Forse, ipotetiche "particelle supersimmetriche" che sono partner delle particelle del Modello Standard costituiscono la materia oscura. Forse esiste un mondo parallelo di materia oscura. WIMP (particelle massicce debolmente interagenti), assioni o neutrini sterili sono particelle ipotizzate al di là del Modello Standard e sono i principali candidati. Tuttavia, non è stato ancora raggiunto alcun successo nella rilevazione di tali particelle.
Ci sono diversi progetti (come Esperimento XENON, Progetto DarkSide-20k, Esperimento EURECA, e RES-NOVA) attualmente in corso per la rilevazione diretta di particelle di materia oscura. Si tratta per lo più di rivelatori di gas nobili liquidi o rivelatori criogenici, progettati per rilevare deboli segnali derivanti dalle interazioni delle particelle di materia oscura. Tuttavia, nonostante i numerosi approcci innovativi, nessun progetto è stato ancora in grado di rilevare direttamente alcuna particella di materia oscura.
Per la prova indiretta della materia oscura, si possono cercare gli effetti gravitazionali della materia oscura, come fecero Fritz Zwicky e Vera Rubin per scoprirla studiando come le galassie siano tenute insieme nonostante abbiano velocità sproporzionatamente elevate rispetto alla materia ordinaria osservata. Anche gli effetti gravitazionali della lente gravitazionale (deflessione della luce) e gli effetti sul movimento delle stelle nello spazio possono fornire prove indirette della presenza di materia oscura. Inoltre, i prodotti di annichilazione (come raggi gamma, neutrini e raggi cosmici) creati quando le particelle di materia oscura si scontrano tra loro nello spazio possono anch'essi indicare la presenza di materia oscura. Uno di questi luoghi in cui la materia oscura è stata prevista sulla base dei prodotti di annichilazione delle particelle di materia oscura è il centro della nostra galassia, la Via Lattea.
Rilevazione della materia oscura al centro della nostra galassia, la Via Lattea
C'erano indicazioni di un eccesso di bagliore diffuso a microonde al centro della Via Lattea (MW). Si ipotizzò che l'eccesso di bagliore fosse dovuto all'emissione di sincrotrone da elettroni e positroni relativistici generati nell'annichilazione della materia oscura (WIM), quindi si previde un segnale diffuso esteso di raggi gamma nell'intervallo di energia fino a poche centinaia di GeV. Successivamente, il Fermi-Large Area Telescope (LAT) rilevò il segnale di raggi gamma che fu identificato come Eccesso del Centro Galattico (GCE). Ben presto, ci si rese conto che l'Eccesso del Centro Galattico (GCE) poteva essere dovuto anche a vecchie stelle di neutroni (pulsar al millisecondo). Si pensò che la morfologia del GCE fosse importante: un GCE di forma sferica simmetrica sarebbe indicativo di emissione di raggi gamma dall'annichilazione di particelle di materia oscura (DM), mentre una morfologia appiattita del GCE sarebbe indicativa di emissione di raggi gamma da pulsar al millisecondo (MSP).
Un'ampia osservazione del centro galattico della Via Lattea da parte del Fermi-Large Area Telescope (LAT) ha rivelato un'asfericità appiattita. Normalmente, si assocerebbe l'asfericità osservata alle stelle vecchie (MSP), tuttavia un recente studio pubblicato il 16 ottobre 2025 ha concluso che le morfologie GCE previste sia dai modelli di annichilazione delle stelle vecchie (MSP) che da quelli di annichilazione della materia oscura (DM) sono indistinguibili.
Per studiare la distribuzione della materia oscura, i ricercatori hanno condotto una simulazione della morfologia di galassie simili alla Via Lattea (MW). Hanno scoperto che gli aloni di materia oscura attorno alle galassie, così come attorno alle regioni centrali delle galassie, erano raramente sferici, come ipotizzato nel modello anisotropo. L'analisi ha invece mostrato una proiezione appiattita della densità di materia oscura per tutte le galassie. Questa distribuzione non assimetrica della materia oscura (DM) è stata dimostrata anche dalla storia di fusione della Via Lattea nei primi tre miliardi di anni della storia dell'universo. La morfologia osservata della GCE è appiattita nella regione centrale, il che è generalmente ritenuto caratteristico della distribuzione delle stelle vecchie (MSP). Il nuovo studio ha dimostrato che la materia oscura (DM) genera una distribuzione squadrata simile. Pertanto, sia le ipotesi di annichilazione della materia oscura (DM) che quelle delle pulsar al millisecondo (MSP) per la GCE osservata sono ugualmente possibili.
Se l'ECG osservata sia dovuta alla materia oscura (DM) o alle pulsar al millisecondo (MSP) sarà noto quando osservatori di raggi gamma come il Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) e il Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) completeranno i loro studi sui raggi tera-gamma in futuro. I raggi gamma prodotti come prodotto di annichilazione della materia oscura (DM) nel centro galattico sarebbero fotoni ad altissima energia con un livello energetico estremamente elevato di circa 0.1 tera-elettronvolt (TeV). I telescopi standard per raggi gamma non sono in grado di rilevare direttamente questi fotoni ad alta energia. I raggi tera-gamma saranno un obiettivo importante per i futuri osservatori di raggi gamma come il CTAO e lo SWGO.
Questo studio rappresenta un passo avanti nella rilevazione della materia oscura nello spazio attraverso i suoi prodotti di annichilazione, tuttavia la presenza di materia oscura al centro galattico richiederà in futuro la conferma da parte di osservatori di raggi gamma ad altissima energia come CTAO o SWGO. Un progresso molto più significativo nella scienza della materia oscura sarebbe la rilevazione diretta di qualsiasi particella di materia oscura.
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Riferimenti:
- Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Nuovi approcci alla rilevazione della materia oscura. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4
- Misiaszeka M. e Rossib N. 2024. Rilevazione diretta della materia oscura: una revisione critica. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201
- Instituto de Física Corpuscular. Alla ricerca della materia oscura: un nuovo approccio per rilevare l'invisibile. 22 agosto 2025. Disponibile su https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible
- Muru MM, et al 2025. Morfologia in eccesso della materia oscura nel centro galattico Fermi-LAT nelle simulazioni della Via Lattea. Physical Review Letters. 135, 161005. Pubblicato il 16 ottobre 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Versione preprint su arXiv. Inviato l'8 agosto 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314
- Johns Hopkins University. Notizie – Un misterioso bagliore nella Via Lattea potrebbe essere la prova della materia oscura. Pubblicato il 16 ottobre 2025. Disponibile su https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/
- Istituto Leibniz di Astrofisica. Notizie – La Via Lattea mostra un eccesso di raggi gamma dovuto all'annichilazione della materia oscura. Pubblicato il 17 ottobre 2025. Disponibile su https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/
- Telescopio spaziale a raggi gamma Fermi. Disponibile su https://science.nasa.gov/mission/fermi/
- Osservatorio Cherenkov Telescope Array (CTAO). Disponibile su https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/
- Osservatorio Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Disponibile su https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub
- Osservatorio di Tartu. Il lato oscuro dell'Universo. Disponibile su https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe
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, this excess γ-ray is a possible signature of dark matter arising as a product of self-annihilations of weakly interacting massive particles (WIMPs), a dark matter particle candidate. However, the excess γ-ray observed at the galactic centre may also be due to old millisecond pulsars (MSPs). Hitherto, it was held that the morphology GCE due to dark matter (DM) would be spherical. A recent simulation study reveals that gamma-ray morphology due to DM could be significantly nonspherical and flattened. This means both dark matter (DM) annihilations and millisecond pulsars (MSPs) hypotheses for the observed GCE are equally possible. The gamma rays produced in the annihilation of dark matter (DM) would have an extremely high energy level of approximately 0.1 tera-electron-volts (TeV). The standard gamma-ray telescopes cannot detect these high-energy photons directly. Hence, confirmation of dark matter (DM) model of Galactic Centre Excess (GCE) would be possible upon completion of studies by the tera γ-ray observatories like CTAO and SWGO.){kind=link}