Alla luce di una stella mostruosa, un accenno di oscurità | Rivista Quanti

Lo scorso ottobre, quando il telescopio spaziale James Webb ha trasmesso le sue prime lunghe esposizioni del cielo vicino alla costellazione dell'Eridano, gli astronomi hanno iniziato a ricostruire la storia di un punto di luce fioco e tremolante che sembrava emergere dai recessi più profondi dell'universo.

Qualunque cosa fosse, ha brillato troppo a lungo per essere una supernova; anche una sola stella era fuori dal tavolo. "Sembra che tu sia probabilmente in uno di questi film di CSI, che tu sia un detective", ha detto José Maria Diego, un astrofisico dell'Istituto di Fisica della Cantabria in Spagna che ha lavorato per decifrare il segnale. "Ci sono molti sospetti sul tavolo e devi eliminarli uno per uno."

Diego e i suoi colleghi hanno recentemente riferito che la debole macchia di luce sembra provenire da lì un sistema stellare estremo hanno soprannominato Mothra, una coppia di stelle supergiganti che, nel loro periodo di massimo splendore, ben 10 miliardi di anni fa, superavano quasi tutto il resto della loro galassia.

A quel tempo, l’intero universo era più giovane di quanto lo sia oggi la Terra; il nostro pianeta ha iniziato a coalizzarsi solo dopo che i fotoni Mothra hanno raggiunto la metà del loro viaggio cosmico verso un mondo che avrebbe sviluppato un gigantesco telescopio spaziale sensibile agli infrarossi giusto in tempo per catturare la loro luce. Rilevare la luce emessa dai singoli sistemi stellari era impossibile da molto tempo. Ma Mothra, che prende il nome da un mostro kaiju ispirato alle falene della seta, è solo l'ultimo di una recente serie di sistemi stellari più antichi, più lontani e generalmente superlativi che gli astronomi hanno trovato nelle immagini del JWST e del telescopio spaziale Hubble. E per inciso, mentre Mothra e i suoi fratelli bestiali sono di per sé intriganti oggetti astrofisici, ciò che eccita di più Diego è che la luce delle stelle mostruose sembra rivelare una classe molto diversa di oggetti fluttuanti tra lei e la Terra: un oggetto altrimenti invisibile. una zolla di materia oscura che lui e i suoi colleghi hanno calcolato pesa tra 10,000 e 2.5 milioni di volte la massa del sole.

Se un oggetto del genere esiste davvero – una conclusione preliminare per ora – potrebbe aiutare i fisici a restringere le loro teorie sulla materia oscura e forse, solo forse, a risolvere il mistero della massa inspiegabile dell’universo.

A partire dal 2023, gli sforzi di laboratorio per la ricerca di singole particelle di materia oscura si sono rivelati vani, lasciando alcuni astrofisici con il sospetto cupamente pragmatico che l’unico modo in cui gli esseri umani possono mettere i calibri sulla misteriosa sostanza potrebbe essere quello di studiare i suoi effetti gravitazionali sull’universo più ampio. Quindi la squadra di Diego e altri stanno cercando i contorni spettrali di oggetti oscuri nel cosmo. Sperano di identificare i più piccoli grumi di materia oscura esistenti, che a loro volta dipendono dalla fisica di base della particella di materia oscura stessa. Ma i grumi di pura materia oscura non si presentano solo agli astronomi; le squadre usano trucchi di osservazione per convincere tali ombre a uscire dalle ombre. Ora gli astronomi si stanno concentrando su fenomeni cosmici che vanno dalle lenti gravitazionali che deformano lo spazio – il tipo di lente d’ingrandimento invisibile, dominata dalla materia oscura che ha rivelato Mothra – a flussi di stelle svolazzanti e nastriformi molto più vicini a casa. Finora, questi sforzi hanno escluso molte varianti di un popolare insieme di modelli chiamato “materia oscura calda”.

"Non puoi toccare la materia oscura", ha detto Anna Nierenberg, un astrofisico dell'Università della California, Merced, che sta cercando macchie interstellari oscure con JWST. Ma trovare piccole strutture realizzate con esso? "Questo è quanto di più vicino potresti ottenere."

Alone, Alone, Alone

Quel poco che sappiamo della materia oscura esiste in contorni vaghi e sfocati. Decenni di prove hanno suggerito che le teorie della gravità sono incomplete o, come sostengono più comunemente gli astrofisici, che una particella di materia oscura infesta l’universo. In un'osservazione classica, le stelle sembravano correre attorno alla periferia delle galassie come se fossero tenute in una presa gravitazionale molto più forte di quanto suggerirebbe la materia visibile. Misurando i movimenti di queste stelle e applicando altre tecniche che identificano le regioni dello spazio con maggiore peso, gli astronomi possono visualizzare come la materia oscura dell'universo è distribuita su scale più grandi.

"Se avessimo degli occhiali per la materia oscura", ha detto Nierenberg, attorno a ogni galassia probabilmente vedremmo "una struttura grande, sfocata, estesa, a forma di anguria, molto più grande della galassia stessa". Per quanto riguarda la nostra Via Lattea, gli astronomi stimano che questo bozzolo diffuso e scuro – chiamato alone – pesa circa un trilione di masse solari ed è più di 10 volte più largo del disco stellare a spirale della galassia.

Zoomando su scale più piccole, però, la certezza scientifica viene meno. L'alone di materia oscura della Via Lattea è uno strato liscio? Oppure è organizzato in gruppi, chiamati sub-aloni? E se sì, che dimensioni hanno questi grumi?

Le risposte potrebbero consentire agli scienziati di identificare la vera natura della materia oscura. I modelli di come l’universo ha evoluto la sua struttura attuale – una rete cosmica, tessuta da fili perlescenti di galassie – prevedono che le particelle di materia oscura, qualunque esse siano, si siano raccolte in piccoli grumi legati gravitazionalmente durante le prime centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang. Molti di questi grumi si sono fusi e alla fine hanno attirato materia visibile. Quelli sono cresciuti fino a diventare i semi delle galassie. Ma alcuni dei più piccoli aloni oscuri che non si sono fusi dovrebbero ancora esistere come “resti della formazione di strutture nell’universo primordiale”, ha affermato Ethan Nadler, astrofisico dell'Osservatorio Carnegie e della University of Southern California. "Un po' come una macchina del tempo."

Trovare e pesare questi ammassi di reliquie aiuterebbe i fisici a rafforzare la loro presa sulla fisica di base della materia oscura, inclusa la massa della misteriosa particella e la sua “temperatura”, un termine un po’ fuorviante che descrive la velocità con cui si muovono nuvole di singole particelle.

Uno dei principali sospettati nel mistero della materia oscura è la materia oscura fredda, una classe di modelli in cui i colpevoli sono particelle relativamente pesanti e lente; un esempio è una particella massiccia che interagisce debolmente, o WIMP. Se queste teorie fossero giuste, tali particelle si sarebbero facilmente depositate in ammassi autogravitanti nell’universo primordiale, alcuni dei quali avrebbero potuto essere piccoli quanto una massa terrestre. Oggi, questi persistenti mini-alone di materia oscura dovrebbero essere ancora alla deriva all’interno e attorno al più grande alone collettivo di galassie come la Via Lattea.

Ma se le particelle più leggere di materia oscura si muovessero velocemente attraverso il cosmo primordiale, come suggeriscono una classe concorrente di modelli di materia oscura “calda”, si sarebbero potuti formare solo grumi più grandi con un’attrazione gravitazionale più forte. Questi modelli suggeriscono che esiste un limite per le strutture della materia oscura, una massa minima al di sotto della quale non esistono aloni. Quindi, ogni volta che qualcuno scopre un nuovo, più piccolo alone oscuro conosciuto (come quello presunto tra la Terra e Mothra), i teorici sono costretti a escludere scenari progressivamente più interessanti.

Un’altra classe di modelli popolare, chiamata materia oscura fuzzy, presuppone solo un sussurro di una particella di materia oscura – forse 10²⁸ volte più leggero di un elettrone. Le ipotetiche particelle chiamate assioni, ad esempio, potrebbero trovarsi in questo intervallo di dimensioni e anche relativamente fredde. Questi pesi piuma si comporterebbero più come onde che come particelle, increspandosi attraverso le galassie. Come la calda materia oscura, questa incarnazione ondulatoria non formerebbe grumi legati gravitazionalmente su scale di massa più piccole delle galassie. Ma la materia oscura ultraleggera avrebbe un’altra notizia. Quando le onde di materia oscura confusa si sfregano l’una contro l’altra all’interno di un alone, potrebbero formare schemi di interferenza più piccoli chiamati granuli – regioni dall’aspetto granuloso dove la densità della materia oscura è maggiore – che impartirebbero la propria firma gravitazionale misurabile.

Per escludere alcune di queste teorie è necessario trovare – o evidentemente non trovare – aloni di materia oscura con massa sempre più bassa. La ricerca è iniziata identificando gli aloni più piccoli conosciuti che avvolgono le galassie nane, grumi di materia oscura che pesano ancora centinaia di milioni di masse solari, e ora si sta facendo strada verso l’ignoto. Il problema, però, è che questi ipotetici piccoli aloni scuri probabilmente non hanno il peso gravitazionale necessario per attrarre la materia regolare e accendere le stelle. Non possono essere visti direttamente: sono poco più che ombre pesanti. "È iniziata la caccia alle prove", ha detto Matthew Walker, un astrofisico della Carnegie Mellon University. "È semplicemente difficile da trovare."

Lezioni dalle lenti

Le ricerche più avanzate di oggi di piccoli aloni secondari scuri si basano su un fenomeno quasi miracoloso: la lente gravitazionale. Previste da Einstein, le lenti gravitazionali sono regioni di spazio-tempo deformato che circondano un oggetto massiccio. Il campo gravitazionale di quell'oggetto, la lente, distorce e focalizza la luce di fondo più o meno allo stesso modo in cui una lente d'ingrandimento può ingrandire l'immagine di una formica o concentrare la luce solare abbastanza da accendere un fuoco.

Ogni allineamento dell'obiettivo coinvolge una fonte di luce che splende dalle sponde lontane dell'universo e l'obiettivo stesso. Spesso, queste lenti sono enormi galassie o ammassi di galassie che deformano lo spazio-tempo e sembrano essere allineati, per caso cosmico, tra quella sorgente lontana e la Terra. Le lenti producono una gamma di effetti ottici, da archi di luce a copie multiple della stessa sorgente di fondo a immagini altamente ingrandite di oggetti che altrimenti sarebbero troppo lontani per essere visti.

È stato solo pescando attraverso la lente del cosmo che, nel 2017, gli astronomi hanno fotografato Icarus, una stella che ardeva luminosa circa 9 miliardi di anni fa. Più recentemente, hanno trovato Earendel, che ha quasi 13 miliardi di anni, l’attuale detentore del record per la stella più antica, che fa tanta luce da solo come 1 milione di soli. Hanno anche avvistato Godzilla, una stella distante mostruosamente energica subendo un'esplosione esplosivae il mostro compagno di Godzilla, Mothra, che sembra essere un tipo simile di oggetto variabile. ("E sì, ci stiamo divertendo", ha detto Diego riferendosi al processo di denominazione della sua squadra.)

Ma le lenti gravitazionali non sono solo portali verso l'altro lato dell'universo. I cacciatori di materia oscura considerano da tempo le lenti interessanti almeno quanto ciò che ingrandiscono. I modi precisi in cui la lente deforma e distorce l'immagine di sfondo corrispondono a come la massa è distribuita all'interno e attorno alla galassia o all'ammasso che genera la lente. Se la materia oscura esiste in piccoli ammassi senza stelle all’interno del modello noto di aloni di dimensioni galattiche, allora anche gli astronomi dovrebbero essere in grado di vedere la luce che si piega attorno a quegli ammassi.

Gli aloni oscuri più piccoli rilevati con questo metodo rivaleggiano già con gli aloni più piccoli misurati attorno alle galassie nane. Nel 2020, un team che includeva Nierenberg ha utilizzato il telescopio spaziale Hubble e l'Osservatorio Keck alle Hawaii per osservare immagini ingrandite di quasar - fari ardenti di luce emessi dalla materia che cade nei buchi neri - e hanno trovato prove di aloni oscuri piccoli quanto centinaia di milioni di masse solari. Si tratta della stessa dimensione approssimativa dell'alone associato alle galassie più piccole, un livello di concordanza statistica in cui Nadler uno studio pubblicato l’anno successivo, veniva utilizzato per escludere modelli di materia oscura calda costituiti da particelle più leggere di circa 1/50 di un elettrone, in cui tali minuscoli agglomerati non avrebbero mai potuto formarsi.

Quest'anno, nel frattempo, due team hanno utilizzato quasar con lente per cercare granelli di particelle di materia oscura sfocate e leggere come una piuma, granelli che si formerebbero attraverso un processo simile a quello che fa apparire le increspature sulla superficie di una piscina, secondo il primo autore. di uno di questi studi, Devon Powell dell'Istituto Max Planck di Astrofisica. “Si ottiene questa distribuzione molto caotica e grumosa della questione”, ha detto. "È solo un'interferenza delle onde."

L'analisi del suo team, pubblicata a giugno in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society, non sono state trovate prove per effetti ondulatori della materia oscura in immagini ad alta risoluzione di archi di luce provenienti da una lente gravitazionale, suggerendo che la particella oscura deve essere più pesante dei più piccoli candidati sfocati. Ma uno studio di aprile in Astronomia naturale, guidato da Alfred Amruth dell'Università di Hong Kong, osservarono quattro copie lente di un quasar di fondo e giunsero alla conclusione opposta: una lente fatta di materia oscura confusa, sostenevano, spiegato meglio piccole fluttuazioni nei loro dati. (Risultati contraddittori non sarebbero del tutto sorprendenti dato che i segnali attesi sono sottili e l’approccio sperimentale è nuovo, dicono gli esperti esterni a entrambi i team Quanta.)

Nierenberg e i suoi colleghi, nel frattempo, hanno trascorso l'ultimo anno utilizzando JWST per osservare lenti gravitazionali che ingrandiscono i quasar, con l'obiettivo provvisorio di pubblicare la loro prima analisi a settembre. In teoria, calcolano che la capacità di JWST di scoprire strutture su piccola scala nelle lenti dovrebbe rivelare se gli aloni oscuri esistano come ammassi completamente invisibili e senza stelle con una gamma di dimensioni di decine di milioni di masse solari. Se così fosse, quegli aloni imporrebbero il vincolo più forte finora su quanto possa essere “calda” la materia oscura.

Questo metodo ancora più nuovo di osservare stelle estreme e lontane come Mothra attraverso lenti gravitazionali potrebbe presto passare dall’identificazione di curiosità una tantum a diventare una caratteristica regolare dell’astronomia nell’era JWST. Se Diego e i suoi colleghi hanno ragione, e riescono a vedere Mothra perché è inquadrata da un ammasso di materia oscura che pesa meno di qualche milione di masse solari, quell’osservazione da sola escluderebbe un’ampia gamma di modelli di materia oscura calda. Ma supporterebbe comunque sia la materia oscura fredda che quella sfocata, anche se in quest’ultimo caso – dove l’ingrandimento extra di Mothra proviene da un denso granello di materia oscura invece che da un ammasso legato gravitazionalmente – forzerebbe comunque la materia oscura sfocata in un intervallo ristretto. delle masse possibili.

Gli astronomi stanno portando alla luce molte più stelle dotate di lente con Hubble e JWST, ha detto Diego, tenendo gli occhi aperti per altre distorsioni ottiche anomale che potrebbero derivare dalla flessione della luce stellare attorno a piccoli oggetti scuri. "Stiamo appena iniziando a scalfire la superficie", ha detto. "Non prendo molte vacanze in questi giorni."

Isole oscure in un flusso di stelle

Altre ricerche di piccoli aloni di materia oscura si concentrano su stelle molto più vicine: quelle nelle stelle filanti vicino alla Via Lattea e le stelle binarie nelle vicine galassie nane. Nel 2018, Anna Bonaca, ora astrofisico presso gli Osservatori Carnegie, ha corso per scaricare i dati dalla navicella spaziale Gaia dell'Agenzia spaziale europea, che misura i movimenti di quasi 2 miliardi di stelle nella Via Lattea. Bonaca ha analizzato quelle osservazioni iniziali e ha isolato le informazioni dalle stelle appartenenti a una struttura chiamata GD-1. Ciò che ha visto è stato “immediatamente super emozionante”, ha detto. "Ci siamo affrettati a scrivere un articolo nella prossima settimana o giù di lì."

GD-1 è un flusso stellare, una serie di stelle della Via Lattea che, se potessi individuarla ad occhio nudo, si estenderebbe per più della metà del cielo notturno. Queste stelle furono espulse da un ammasso stellare globulare molto tempo fa; ora orbitano attorno alla Via Lattea su entrambi i lati di quell'ammasso, oscillando dietro e davanti al suo percorso come boe che segnano un canale interstellare.

Nella loro analisi di GD-1, il team di Bonaca ha trovato l'impronta digitale teorica di un pezzo di materia oscura intruso. Nello specifico, parte di GD-1 sembrava divisa in due, come se un enorme oggetto invisibile fosse passato attraverso la scia, trascinando le stelle nella sua scia. Quell’oggetto di passaggio, hanno calcolato, potrebbe essere stato un sottoalone di materia oscura del peso di alcuni milioni di masse solari, rendendolo anche un contendente per il presunto ammasso di materia oscura più piccolo e una potenziale minaccia per le varianti più calde della materia oscura calda. .

Ma come convertire un singolo risultato in qualcosa di più statistico? Ad oggi, ha detto Bonaca, gli astronomi hanno registrato circa 100 flussi stellari. Sebbene solo una manciata sia stata studiata in dettaglio, ognuna di quelle esaminate presenta le sue insolite pieghe e piegature che possono derivare da incontri gravitazionali con oggetti altrettanto piccoli e scuri. Ma le osservazioni non sono ancora conclusive.

“Penso che il modo migliore per procedere sia analizzare i flussi simultaneamente”, ha detto, “per capire quanto di [quelle caratteristiche insolite] provenga dalla materia oscura”.

Su scale ancora più piccole, Walker, alla Carnegie Mellon, ha trascorso l'ultimo anno scansionando le osservazioni JWST delle galassie nane alla ricerca dei sistemi stellari più fragili che riesce a trovare: stelle binarie che sono molto distanti e tenute insieme in un ampio abbraccio gravitazionale. Se piccoli aloni oscuri – il tipo di oggetti che secondo i modelli della materia oscura fredda dovrebbero essere abbondanti – passano continuamente ed esercitano forze gravitazionali sull’ambiente circostante, questi sistemi binari molto ampi non dovrebbero esistere. Ma se compaiono sistemi binari ampi, ciò suggerisce che non sono presenti piccoli aloni scuri, sferrando un duro colpo contro i numerosi modelli di materia oscura fredda che li prevedono.

"È ciò che io chiamo una anti-ricerca di aloni di materia oscura subgalattica", ha detto Walker.

Muoversi tra le mura

La ricerca delle ombre cosmiche è ancora una piccola parte di uno sforzo più ampio volto a individuare qualcosa che finora è rimasto fuori portata. Gli esperimenti sulla Terra progettati per intrappolare particelle che si adatterebbero ai paradigmi della materia oscura sfocata, calda e fredda si avviano; i team sono ancora alla ricerca di altri tratti distintivi della fisica della materia oscura, dai prodotti collaterali prodotti se e quando le particelle interagiscono con la materia normale, alla sottile questione di come la densità della materia oscura aumenta e diminuisce all'interno degli aloni oscuri, che dipende da come interagiscono le particelle oscure. insieme.

Tracy Slayer, fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology, visualizza il mistero della materia oscura come una vasta scatola piena di miriadi di possibilità ma che contiene solo una risposta giusta. In questa analogia, la sua strategia è quella di penetrare in profondità quella scatola con idee specifiche e confutabili sulle proprietà delle particelle di materia oscura. I lati della scatola, tuttavia, rappresentano gli unici veri dati limitativi che gli astronomi possono fornire, come i limiti superiori su quanto può essere calda la materia oscura e i limiti inferiori su quanto può essere sfocata – o leggera.

Se gli astronomi potessero rilevare con sicurezza oggetti cosmici completamente oscuri nell’ordine di un milione di masse solari, quello sarebbe un “tour de force osservativo”, ha detto Slatyer. "Sarebbe incredibile." Le pareti della sua scatola si sarebbero spostate verso l'interno, restringendo lo spazio disponibile per le possibilità.

La tecnologia in arrivo potrebbe presto trasformare queste varie ricerche da primi tentativi nel buio in incursioni più profonde nelle strutture oscure che sostengono l’universo. JWST approfondirà lo studio delle lenti gravitazionali nei prossimi anni; Il gruppo di Nierenberg, ad esempio, ha iniziato con otto sistemi di questo tipo, ma prevede di analizzarne infine 31. Quando verrà lanciato nel 2027, il telescopio spaziale romano Nancy Grace, un osservatorio di livello Hubble con un campo visivo molto più ampio, dovrebbe rendere molto più semplice la panoramica delle galassie nane come sta facendo Walker. L'Osservatorio Vera C. Rubin, che prende il nome dall'astronomo pioniere le cui osservazioni costrinsero i ricercatori a prendere sul serio il mistero della materia oscura, rivelerà maggiori dettagli sui flussi stellari una volta che inizierà le osservazioni dal Cile nel 2024. Insieme, i due osservatori dovrebbe portare alla luce migliaia di nuove lenti gravitazionali che possono essere setacciate alla ricerca di sottostrutture oscure.

Finora, nessuna delle osservazioni ha rovesciato i popolari modelli di materia oscura fredda, che prevedono che l’universo sia disseminato di ammassi di materia oscura sempre più piccoli. Mentre gli astronomi continuano l’estenuante lavoro di ricerca di questi grumi, molti teorici e sperimentali sperano che un esperimento di fisica delle particelle sulla Terra possa arrivare al cuore del mistero molto più velocemente. Ma scoprire queste isolate sacche di oscurità – e tutta la complessa fisica che le accompagna – è come “ottenere un laboratorio più pulito”, ha detto Slatyer. "Siamo in un momento emozionante."