Un’oscillazione da Marte potrebbe essere un segno di materia oscura

Secondo uno studio del MIT osservare i cambiamenti nell’orbita del Pianeta Rosso nel tempo potrebbe essere un nuovo modo per rilevare la materia oscura di passaggio.

 

 

In un nuovo studio, i fisici del MIT propongono che se la maggior parte della materia oscura nell’universo è costituita da microscopici buchi neri primordiali – un’idea proposta per la prima volta negli anni ’70 – allora queste nane gravitazionali dovrebbero sfrecciare attraverso il nostro sistema solare almeno una volta ogni decennio.

Un sorvolo come questo, prevedono i ricercatori, introdurrebbe un’oscillazione nell’orbita di Marte, a un livello che la tecnologia odierna potrebbe effettivamente rilevare.

Una tale rilevazione potrebbe dare supporto all’idea che i buchi neri primordiali siano una fonte primaria di materia oscura in tutto l’universo.

“Grazie a decenni di telemetria di precisione, gli scienziati conoscono la distanza tra la Terra e Marte con una precisione di circa 10 centimetri”, afferma l’autore dello studio David Kaiser, professore di fisica e professore di storia della scienza al MIT.

“Stiamo approfittando di questa regione dello spazio altamente strumentata per cercare un piccolo effetto. Se lo vediamo, questo conterebbe come una vera ragione per continuare a perseguire questa deliziosa idea che tutta la materia oscura è costituita da buchi neri che sono stati generati in meno di un secondo dopo il Big Bang e hanno attraversato l’universo per 14 miliardi di anni”.

Kaiser e i suoi colleghi riportano i loro risultati sulla rivista Physical Review D.

 I coautori dello studio sono l’autore principale Tung Tran ’24, che ora è uno studente laureato presso la Stanford University; Sarah Geller ’12, SM ’17, PhD ’23, che ora è postdoc presso l’Università della California a Santa Cruz; e Benjamin Lehmann, MIT Pappalardo Fellow.

Meno del 20 per cento di tutta la materia fisica è fatta da cose visibili, da stelle e pianeti, fino al lavandino della cucina.

Il resto è composto da materia oscura, un’ipotetica forma di materia che è invisibile nell’intero spettro elettromagnetico ma che si pensa pervada l’universo ed eserciti una forza gravitazionale abbastanza grande da influenzare il movimento di stelle e galassie.

I fisici hanno eretto rivelatori sulla Terra per cercare di individuare la materia oscura e definirne le proprietà.

Per la maggior parte, questi esperimenti presuppongono che la materia oscura esista come una forma di particella esotica che potrebbe disperdersi e decadere in particelle osservabili mentre passa attraverso un dato esperimento.

Ma finora, tali ricerche basate su particelle sono andate a vuoto.

Negli ultimi anni, un’altra possibilità, introdotta per la prima volta negli anni ’70, ha ripreso piede: piuttosto che assumere una forma di particelle, la materia oscura potrebbe esistere come buchi neri microscopici e primordiali che si sono formati nei primi istanti dopo il Big Bang.

A differenza dei buchi neri astrofisici che si formano dal collasso di vecchie stelle, i buchi neri primordiali si sarebbero formati dal collasso di dense sacche di gas nell’universo primordiale e si sarebbero dispersi in tutto il cosmo mentre l’universo si espandeva e si raffreddava.

Questi buchi neri primordiali avrebbero fatto collassare un’enorme quantità di massa in uno spazio minuscolo.

La maggior parte di questi buchi neri primordiali potrebbe essere piccola come un singolo atomo e pesante come gli asteroidi più grandi.

Sarebbe concepibile, quindi, che giganti così piccoli possano esercitare una forza gravitazionale che potrebbe spiegare almeno una parte della materia oscura. Per il team del MIT, questa possibilità ha sollevato una domanda inizialmente frivola.

“Penso che qualcuno mi abbia chiesto cosa accadrebbe se un buco nero primordiale passasse attraverso un corpo umano”, ricorda Tung, che ha fatto un rapido calcolo con carta e matita per scoprire che se un buco nero di questo tipo si stabilizzasse entro 1 metro da una persona, la forza del buco nero spingerebbe la persona a 6 metri di distanza in un solo secondo.

Tung ha scoperto anche che le probabilità che un buco nero primordiale passasse vicino a una persona sulla Terra erano astronomicamente improbabili.

I ricercatori hanno fatto un ulteriore passo avanti nei calcoli di Tung, per stimare come un sorvolo di un buco nero potrebbe influenzare corpi molto più grandi come la Terra e la Luna.

“Abbiamo estrapolato per vedere cosa accadrebbe se un buco nero volasse vicino alla Terra e facesse oscillare un po’ la luna”, dice Tung.

“I numeri che abbiamo ottenuto non erano molto chiari. Ci sono molte altre dinamiche nel sistema solare che potrebbero agire come una sorta di attrito per causare lo smorzamento dell’oscillazione”.

Per ottenere un quadro più chiaro, il team ha generato una simulazione relativamente semplice del sistema solare che incorpora le orbite e le interazioni gravitazionali tra tutti i pianeti e alcune delle lune più grandi.

«Le simulazioni all’avanguardia del sistema solare includono più di un milione di oggetti, ognuno dei quali ha un piccolo effetto residuo», osserva Lehmann.

“Ma anche modellando due dozzine di oggetti in un’attenta simulazione, abbiamo potuto vedere che c’era un effetto reale in cui potevamo scavare”.

Il team ha elaborato la velocità con cui un buco nero primordiale dovrebbe passare attraverso il sistema solare, in base alla quantità di materia oscura che si stima risieda in una data regione dello spazio e alla massa di un buco nero di passaggio, che in questo caso si presume sia massiccio quanto i più grandi asteroidi del sistema solare. coerente con altri vincoli astrofisici.

“I buchi neri primordiali non vivono nel sistema solare. Piuttosto, stanno fluendo attraverso l’universo, facendo le loro cose”, dice la coautrice Sarah Geller.

“E la probabilità è che stiano attraversando il sistema solare interno con un certo angolo una volta ogni 10 anni circa”.

Dato questo tasso, i ricercatori hanno simulato vari buchi neri di massa di asteroidi che volano attraverso il sistema solare, da varie angolazioni e a velocità di circa 150 miglia al secondo. (Le direzioni e le velocità provengono da altri studi sulla distribuzione della materia oscura in tutta la nostra galassia.)

Si sono concentrati su quei sorvoli che sembravano essere “incontri ravvicinati” o istanze che causavano una sorta di effetto negli oggetti circostanti.

Hanno rapidamente scoperto che qualsiasi effetto sulla Terra o sulla Luna era troppo incerto per essere attribuito a un particolare buco nero. Ma Marte sembrava offrire un quadro più chiaro.

I ricercatori hanno scoperto che se un buco nero primordiale dovesse passare a poche centinaia di milioni di miglia da Marte, l’incontro innescherebbe una “oscillazione”, o una leggera deviazione nell’orbita di Marte.

Entro pochi anni da un tale incontro, l’orbita di Marte dovrebbe spostarsi di circa un metro, un’oscillazione incredibilmente piccola, dato che il pianeta si trova a più di 140 milioni di miglia dalla Terra.

Eppure, questa oscillazione potrebbe essere rilevata dai vari strumenti ad alta precisione che oggi monitorano Marte.

Se una tale oscillazione venisse rilevata nei prossimi due decenni, i ricercatori riconoscono che ci sarebbe ancora molto lavoro da fare per confermare che la spinta proviene da un buco nero di passaggio piuttosto che da un asteroide ordinario.

“Abbiamo bisogno di quanta più chiarezza possibile sugli sfondi previsti, come le velocità e le distribuzioni tipiche delle noiose rocce spaziali, rispetto a questi buchi neri primordiali”, osserva Kaiser.

“Fortunatamente per noi, gli astronomi hanno monitorato le rocce spaziali ordinarie per decenni mentre volavano attraverso il nostro sistema solare, quindi abbiamo potuto calcolare le proprietà tipiche delle loro traiettorie e iniziare a confrontarle con i diversi tipi di percorsi e velocità che i buchi neri primordiali dovrebbero seguire”.

Per aiutare in questo, i ricercatori stanno esplorando la possibilità di una nuova collaborazione con un gruppo che ha una vasta esperienza nella simulazione di molti più oggetti nel sistema solare.

“Ora stiamo lavorando per simulare un numero enorme di oggetti, dai pianeti alle lune e alle rocce, e come si muovono tutti su scale temporali lunghe”, afferma Geller. “Vogliamo iniettare scenari di incontro ravvicinato e osservare i loro effetti con maggiore precisione”.