La materia oscura è uno degli enigmi più affascinanti dell’astrofisica moderna. Nonostante la sua presenza sia stata dedotta da varie osservazioni astronomiche, la sua natura esatta rimane sconosciuta. Tuttavia, un gruppo di fisici ha sviluppato un metodo innovativo che potrebbe svelare gli effetti delle particelle di materia oscura sulle stelle di neutroni, utilizzando i rivelatori di onde gravitazionali. Questo approccio apre nuove prospettive nella comprensione della materia oscura, estendendo le possibilità di rilevamento oltre i limiti degli attuali strumenti e gettando le basi per scoperte future con osservatori gravitazionali avanzati.
Un nuovo metodo di indagine
La teoria alla base dell’approccio
Un team di fisici provenienti dall’Istituto Tata di Ricerca Fondamentale, dall’Indian Institute for Science e dall’Università della California a Berkeley ha introdotto un metodo innovativo per indagare la materia oscura. Questo metodo si basa sull’utilizzo delle ricerche di onde gravitazionali per rilevare gli effetti potenziali della materia oscura sulle stelle di neutroni.
Il funzionamento della nuova metodologia
Sulagna Bhattacharya, studentessa di dottorato al TIFR e autrice principale dello studio pubblicato su Physical Review Letters, spiega che le particelle di materia oscura presenti nella galassia possono accumularsi nelle stelle di neutroni a causa delle loro interazioni non gravitazionali. Queste particelle formano un nucleo denso che, nel caso in cui la particella di materia oscura sia pesante e non abbia un’antiparticella corrispondente, collassa in un piccolo buco nero. Questo scenario, difficile da testare altrimenti in esperimenti di laboratorio, potrebbe essere rivelato grazie ai rivelatori di onde gravitazionali.
La trasformazione in buchi neri
Per un ampio intervallo di massa consentito per le particelle di materia oscura, il buco nero iniziale consuma la sua stella di neutroni ospite e la trasforma in un buco nero di massa paragonabile a quella di una stella di neutroni. Le teorie dell’evoluzione stellare prevedono che i buchi neri si formino quando le stelle di neutroni superano circa 2,5 volte la massa del Sole, ma in questo caso la materia oscura porta alla formazione di buchi neri di massa inferiore.
Implicazioni per la ricerca futura
Anupam Ray, che ha co-diretto il lavoro, sottolinea che “per parametri di materia oscura che non sono ancora esclusi da altri esperimenti, vecchi sistemi binari di stelle di neutroni in regioni dense della galassia dovrebbero essersi evoluti in sistemi binari di buchi neri. Se non osserviamo fusioni di massa insolitamente bassa, ciò pone nuovi vincoli sulla materia oscura”.
Collegamenti tra materia oscura e buchi neri
Eventi rilevati da LIGO
Alcuni degli eventi rilevati da LIGO, come GW190814 e GW190425, sembrano coinvolgere almeno un oggetto compatto di massa ridotta. Una suggestiva ipotesi, basata su lavori pionieristici di Hawking e Zeldovich degli anni ’60, è che i buchi neri di massa ridotta possano avere un’origine primordiale, ovvero essere stati creati da fluttuazioni di densità estremamente rare ma grandi nell’universo primordiale.
Limiti imposti dalla non rilevazione di fusioni di massa ridotta
Lo studio di Bhattacharya e collaboratori dimostra che la stessa non rilevazione di fusioni di massa ridotta da parte di LIGO pone vincoli stringenti sulla materia oscura particellare. Questi vincoli sono di notevole valore, poiché esplorano uno spazio parametrico ben al di là della portata degli attuali rivelatori terrestri di materia oscura, specialmente per le particelle di materia oscura pesanti.
Il futuro delle osservazioni di onde gravitazionali
Si prevede che le fusioni di buchi neri di massa ridotta saranno rilevabili non solo con i rivelatori di onde gravitazionali esistenti come LIGO, VIRGO e KAGRA, ma anche con i futuri rivelatori come Advanced LIGO, Cosmic Explorer e il Telescopio Einstein. Considerando gli aggiornamenti pianificati degli attuali esperimenti di onde gravitazionali e tenendo conto della loro maggiore sensibilità e tempo di osservazione, lo studio prevede i vincoli che potrebbero essere ottenuti nel prossimo decennio.
La potenziale scoperta di buchi neri esotici di massa ridotta
Se in futuro verranno scoperti buchi neri esotici di massa ridotta, ciò potrebbe fornire un prezioso indizio sulla natura della materia oscura. Gli autori concludono con ottimismo, notando che “i rivelatori di onde gravitazionali, che si sono già dimostrati utili per la rilevazione diretta di buchi neri e onde gravitazionali previste da Einstein, potrebbero rivelarsi uno strumento potente per testare le teorie della materia oscura”.
