Le pulsar potrebbero illuminare la materia oscura

 

 

La domanda centrale nella caccia in corso alla materia oscura è: di cosa è fatta? Una possibile risposta è che la materia oscura è costituita da particelle note come assioni. Un team di astrofisici, guidato da ricercatori delle università di Amsterdam e Princeton, ha ora dimostrato che se la materia oscura è costituita da assioni, può rivelarsi sotto forma di un sottile bagliore aggiuntivo proveniente da stelle pulsanti.

 

 

La materia oscura potrebbe essere il costituente più ricercato del nostro universo. Sorprendentemente, questa misteriosa forma di materia, che fisici e astronomi finora non sono stati in grado di rilevare, si presume costituisca una parte enorme di ciò che è là fuori.

Non meno dell’85% della materia nell’universo è sospettata di essere “oscura”, attualmente visibile solo attraverso l’attrazione gravitazionale che esercita su altri oggetti astronomici.

Comprensibilmente, gli scienziati vogliono di più. Vogliono davvero vedere la materia oscura o, per lo meno, rilevare direttamente la sua presenza, non solo dedurla dagli effetti gravitazionali. E, naturalmente: vogliono sapere di cosa si tratta.

Una cosa è chiara: la materia oscura non può essere lo stesso tipo di materia di cui siamo fatti noi. Se così fosse, la materia oscura si comporterebbe semplicemente come materia ordinaria: formerebbe oggetti come stelle, si illuminerebbe e non sarebbe più “oscura”.

Gli scienziati sono quindi alla ricerca di qualcosa di nuovo, un tipo di particella che nessuno ha ancora rilevato, e che probabilmente interagisce solo molto debolmente con i tipi di particelle che conosciamo, spiegando perché questo costituente del nostro mondo finora è rimasto sfuggente.

Ci sono molti indizi su dove cercare. Un’ipotesi popolare è che la materia oscura potrebbe essere fatta di assioni. Questo ipotetico tipo di particella è stato introdotto per la prima volta nel 1970 per risolvere un problema che non aveva nulla a che fare con la materia oscura.

La separazione delle cariche positive e negative all’interno del neutrone, uno dei mattoni degli atomi ordinari, si è rivelata inaspettatamente piccola.

Gli scienziati, naturalmente, volevano sapere perché. Si è scoperto che la presenza di un tipo di particella finora non rilevato, che interagisce molto debolmente con i costituenti del neutrone, potrebbe causare esattamente un tale effetto.

Il successivo premio Nobel Frank Wilczek inventò un nome per la nuova particella: assione – non solo simile ad altri nomi di particelle come protone, neutrone, elettrone e fotone, ma anche ispirato da un detersivo per bucato con lo stesso nome. L’assione era lì per ripulire un problema.

Infatti, nonostante non sia mai stato rilevato, potrebbe ripulirne due. Diverse teorie per le particelle elementari, tra cui la teoria delle stringhe, una delle principali teorie candidate per unificare tutte le forze in natura, sembravano prevedere che potessero esistere particelle simili ad assioni.

Se gli assioni fossero davvero là fuori, potrebbero anche costituire parte o addirittura tutta la materia oscura mancante? Forse, ma un’ulteriore domanda che ossessionava tutta la ricerca sulla materia oscura era altrettanto valida per gli assioni: se è così, allora come possiamo vederli? Come si fa a rendere visibile qualcosa di “oscuro”?

Fortunatamente, sembra che per gli assioni ci possa essere una via d’uscita da questo enigma. Se le teorie che prevedono gli assioni sono corrette, non solo ci si aspetta che siano prodotti in serie nell’universo, ma alcuni assioni potrebbero anche essere convertiti in luce in presenza di forti campi elettromagnetici.

Una volta che c’è luce, possiamo vedere. Potrebbe essere questa la chiave per rilevare gli assioni – e quindi per rilevare la materia oscura?

Per rispondere a questa domanda, gli scienziati hanno dovuto prima chiedersi dove nell’universo si verificano i più forti campi elettrici e magnetici conosciuti.

La risposta è: nelle regioni circostanti le stelle di neutroni rotanti, note anche come pulsar. Queste pulsar – abbreviazione di “stelle pulsanti” – sono oggetti densi, con una massa all’incirca uguale a quella del nostro Sole, ma un raggio che è circa 100.000 volte più piccolo, solo circa 10 km.

Essendo così piccole, le pulsar ruotano con frequenze enormi, emettendo fasci luminosi e stretti di emissione radio lungo il loro asse di rotazione. Simile a un faro, i fasci della pulsar possono attraversare la Terra, rendendo la stella pulsante facilmente osservabile.

Tuttavia, l’enorme rotazione della pulsar fa di più. Trasforma la stella di neutroni in un elettromagnete estremamente potente. Questo, a sua volta, potrebbe significare che le pulsar sono fabbriche di assioni molto efficienti.

Ogni singolo secondo una pulsar media sarebbe in grado di produrre un numero di assioni a 50 cifre. A causa del forte campo elettromagnetico attorno alla pulsar, una frazione di questi assioni potrebbe convertirsi in luce osservabile.

Cioè: se gli assioni esistono, il meccanismo può ora essere usato per rispondere proprio a questa domanda. Basta guardare le pulsar, vedere se emettono luce extra e, se lo fanno, determinare se questa luce extra potrebbe provenire dagli assioni.

Come sempre nella scienza, eseguire effettivamente una tale osservazione non è ovviamente così semplice. La luce emessa dagli assioni – rilevabile sotto forma di onde radio – sarebbe solo una piccola frazione della luce totale che questi luminosi fari cosmici inviano sulla nostra strada.

È necessario sapere con precisione come sarebbe una pulsar senza assioni e come sarebbe una pulsar con assioni, per essere in grado di vedere la differenza – per non parlare di quantificare quella differenza e trasformarla in una misura di una quantità di materia oscura.

Questo è esattamente ciò che un team di fisici e astronomi ha ora fatto. In uno sforzo collaborativo tra Paesi Bassi, Portogallo e Stati Uniti, il team ha costruito un quadro teorico completo che consente la comprensione dettagliata di come vengono prodotti gli assioni, come gli assioni sfuggono all’attrazione gravitazionale della stella di neutroni e come, durante la loro fuga, si convertono in radiazioni radio a bassa energia.

I risultati teorici sono stati poi messi su un computer per modellare la produzione di assioni attorno alle pulsar, utilizzando simulazioni numeriche al plasma all’avanguardia che sono state originariamente sviluppate per comprendere la fisica dietro il modo in cui le pulsar emettono onde radio.

Una volta prodotta virtualmente, è stata simulata la propagazione degli assioni attraverso i campi elettromagnetici della stella di neutroni.

Ciò ha permesso ai ricercatori di comprendere quantitativamente la successiva produzione di onde radio e modellare come questo processo fornirebbe un segnale radio aggiuntivo in aggiunta all’emissione intrinseca generata dalla pulsar stessa.

i modelli di assioni I risultati della teoria e della simulazione sono stati poi sottoposti a un primo test osservativo. Utilizzando osservazioni da 27 pulsar vicine, i ricercatori hanno confrontato le onde radio osservate con i modelli, per vedere se qualsiasi eccesso misurato potesse fornire prove dell’esistenza di assioni.

Sfortunatamente, la risposta è stata “no” – o forse più ottimisticamente: “non ancora”. Gli assioni non saltano subito fuori, ma forse non c’era da aspettarselo. Se la materia oscura dovesse rinunciare ai suoi segreti così facilmente, sarebbe già stata osservata molto tempo fa.

La speranza di un rilevamento degli assioni con pistola fumante, quindi, è ora sulle osservazioni future. Nel frattempo, l’attuale non osservazione dei segnali radio dagli assioni è un risultato interessante in sé. Il primo confronto tra simulazioni e pulsar reali ha posto i limiti più forti fino ad oggi all’interazione che gli assioni possono avere con la luce.

Naturalmente, l’obiettivo finale è quello di fare di più che fissare dei limiti: è quello di dimostrare che gli assioni sono là fuori, o di assicurarsi che sia estremamente improbabile che gli assioni siano un costituente della materia oscura.

I nuovi risultati sono solo un primo passo in questa direzione; Sono solo l’inizio di quello che potrebbe diventare un campo completamente nuovo e altamente interdisciplinare che ha il potenziale per far avanzare notevolmente la ricerca degli assioni.