Le onde gravitazionali potrebbero rivelare la materia oscura trasformando le stelle di neutroni in buchi neri – Physics World

Le onde gravitazionali potrebbero rivelare la materia oscura trasformando le stelle di neutroni in buchi neri – Physics World

Timestamp: 19 settembre 2023 10:39

Stella di neutroni
Trasformazione: le stelle di neutroni potrebbero raccogliere materia oscura che le trasforma in piccoli buchi neri. (Per gentile concessione: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Un team di fisici teorici in India ha dimostrato che le onde gravitazionali potrebbero rivelare il ruolo che la materia oscura potrebbe svolgere nella trasformazione delle stelle di neutroni in buchi neri.

La materia oscura è un’ipotetica sostanza invisibile invocata per spiegare il curioso comportamento di strutture su larga scala come le galassie e gli ammassi di galassie – comportamento che non può essere spiegato solo dalla gravità.

Se esiste, la materia oscura deve interagire con la materia ordinaria tramite la gravità. Tuttavia, alcuni modelli prevedono che la materia oscura possa anche interagire con la materia ordinaria attraverso interazioni non gravitazionali molto deboli.

Debole ma sufficiente

“Interazione non gravitazionale significa che ci si aspetta che [le particelle di materia oscura] abbiano una sorta di interazione con protoni e neutroni”, Sulagna Bhattacharya detto Mondo della fisica. Bhattacharya è uno studente laureato presso il Tata Institute of Fundamental Research di Mumbai, che aggiunge: "Queste interazioni possono essere molto deboli, ma potrebbero essere sufficienti per consentire alle particelle di materia oscura di essere catturate all'interno di una stella di neutroni".

Le stelle di neutroni sono i resti del nucleo denso di stelle massicce esplose come supernove. Sono molto piccoli, forse una dozzina di chilometri di diametro, ma con masse maggiori di quella del Sole. Il nucleo di una stella di neutroni è così denso che potrebbe aumentare la probabilità di interazioni tra la materia normale e la materia oscura.

La massa massima teorica che può avere una stella di neutroni è di 2.5 masse solari, ma in pratica la maggior parte è molto più piccola, intorno a 1.4 masse solari. Le stelle di neutroni che superano le 2.5 masse solari subiranno un collasso gravitazionale per formare buchi neri.

Chiudere il divario

I buchi neri di massa stellare possono anche formarsi direttamente dalle supernove (esplosioni di grandi stelle), ma la modellizzazione teorica ha suggerito che i buchi neri non dovrebbero esistere con 2-5 masse solari. Fino a poco tempo fa, ciò era supportato da prove osservative. Tuttavia, a partire dal 2015, le osservazioni delle onde gravitazionali derivanti dalla fusione di coppie di buchi neri hanno rivelato l’esistenza di buchi neri all’interno di questo gap di massa.

Per esempio, GW 190814 è stato un evento di onde gravitazionali rilevato nel 2019 che ha coinvolto un oggetto con una massa compresa tra 2.50 e 2.67 masse solari. Un altro evento misterioso è stato GW 190425, rilevato anche nel 2019, in cui l'oggetto combinato aveva una massa di 3.4 masse solari. Si tratta di una massa totale sostanzialmente più elevata di qualsiasi sistema binario di stelle di neutroni conosciuto.

Ora Bhattacharya, il suo supervisore Basudeb Dasgupta, oltre a Ranjan Laha dell'Indian Institute of Science e Raggio Anupam dell'Università della California, Berkeley, hanno suggerito che la materia oscura che si accumula nel nucleo di una stella di neutroni aumenterebbe la densità del nucleo al punto da farla collassare in un buco nero in miniatura. Questo buco nero crescerebbe quindi e inghiottirebbe la stella di neutroni. Il risultato sarebbe un buco nero con una massa inferiore al previsto. E la scoperta di buchi neri di massa così piccola costituirebbe una prova allettante dell’esistenza della materia oscura.

“Astrofisicamente esotico”

"Questi oggetti compatti sarebbero astrofisicamente esotici", dice Bhattacharya, che è l'autore principale di un articolo che descrive questa ipotesi in Physical Review Letters. Il loro articolo propone GW 190814 e GW 190425 come fusioni che avrebbero potuto coinvolgere buchi neri creati con l’aiuto della materia oscura.

Indipendentemente dal fatto che esistano o meno buchi neri convertiti da stelle di neutroni, Bhattacharya afferma che la loro ricerca fornirà “alcuni vincoli significativi sulle interazioni della materia oscura con i nucleoni”. Di conseguenza, il numero crescente di fusioni osservate potrebbe consentire ai fisici di valutare diversi modelli di materia oscura.

Un’altra possibilità è che gli oggetti di piccola massa osservati in GW 190814 e GW 190425 siano buchi neri primordiali formatisi subito dopo il Big Bang. Tuttavia, alcune teorie suggeriscono che i buchi neri primordiali potrebbero essere un componente della materia oscura, quindi lo studio delle fusioni potrebbe fornire ancora più informazioni sulla natura della materia oscura.

In effetti, il vantaggio principale dell’utilizzo delle onde gravitazionali per cercare prove dell’esistenza della materia oscura è che si tratta del mezzo più sensibile di cui disponiamo per rilevare le deboli interazioni non gravitazionali della materia oscura con la materia normale.

Questo perché l’osservazione delle onde gravitazionali non è soggetta al “pavimento dei neutrini”, che limita gli esperimenti che mirano a rilevare direttamente la materia oscura. Il pavimento si riferisce al fatto che i neutrini sono una fonte significativa di rumore di fondo nei rilevatori di materia oscura come LUX-ZEPLIN.

"Il metodo da noi suggerito può sondare le regioni che sono fuori dalla portata di questi rilevatori terrestri a causa dell'esposizione limitata e della sensibilità del rilevatore", afferma Bhattacharya.

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