Un team internazionale di scienziati guidati dal Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE) e dall'Università di Aveiro mostra che la più pesante collisione di buchi neri mai osservata, prodotta dall'onda gravitazionale GW190521, potrebbe effettivamente essere qualcosa di ancora più misterioso:la fusione di due stelle bosoniche. Questa sarebbe la prima prova dell'esistenza di questi ipotetici oggetti, che sono un candidato per la materia oscura, si ritiene che comprenda il 27% della massa dell'universo.

Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spaziotempo che viaggiano alla velocità della luce. Questi hanno origine negli eventi più violenti dell'universo, portando informazioni sulle loro fonti. Dal 2015, i due rivelatori LIGO negli USA e il rivelatore Virgo a Cascina, Italia, hanno rilevato e interpretato onde gravitazionali. Ad oggi, questi rivelatori hanno già osservato circa 50 segnali di onde gravitazionali. Tutti questi hanno avuto origine nelle collisioni e nelle fusioni di buchi neri e stelle di neutroni, permettendo ai fisici di approfondire la conoscenza di questi oggetti.

Però, la promessa delle onde gravitazionali va ben oltre, poiché questi dovrebbero eventualmente fornirci prove per oggetti precedentemente inosservati e persino inaspettati, e far luce sui misteri attuali come la natura della materia oscura. Quest'ultimo può, però, sono già accaduti.

A settembre 2020, la collaborazione LIGO e Virgo (LVC) ha annunciato al mondo il segnale di onde gravitazionali GW190521. Secondo la loro analisi, il segnale era coerente con la collisione di due buchi neri pesanti, di 85 e 66 volte la massa del sole, che ha prodotto un buco nero finale con 142 masse solari. Il buco nero risultante è stato il primo di un nuovo, famiglia di buchi neri precedentemente non osservati:buchi neri di massa intermedia. Questa scoperta è di fondamentale importanza, poiché tali buchi neri erano l'anello mancante tra due ben note famiglie di buchi neri:buchi neri di massa stellare che si formano dal collasso delle stelle, e buchi neri supermassicci che risiedono al centro di quasi tutte le galassie, compresa la Via Lattea.

Inoltre, questa osservazione è arrivata con un'enorme sfida. Se quello che pensiamo di sapere su come vivono e muoiono le stelle è corretto, il più pesante dei buchi neri in collisione (85 masse solari) non potrebbe formarsi dal collasso di una stella alla fine della sua vita, che apre una serie di dubbi e possibilità sulle sue origini.

In un articolo pubblicato oggi su Lettere di revisione fisica , un team di scienziati guidati dal Dr. Juan Calderón Bustillo presso l'Istituto Galiziano di Fisica delle Alte Energie (IGFAE), centro comune dell'Università di Santiago de Compostela e Xunta de Galicia, e il dottor Nicolás Sanchis-Gual, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Aveiro e l'Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), insieme ai collaboratori dell'Università di Valencia, Monash University e l'Università cinese di Hong Kong, ha proposto una spiegazione alternativa per l'origine del segnale GW190521:la collisione di due oggetti esotici noti come stelle bosoniche, che sono uno dei candidati più probabili per spiegare la materia oscura. Nella loro analisi, il team è stato in grado di stimare la massa di una nuova particella costituente di queste stelle, un bosone ultraleggero con una massa miliardi di volte più piccola degli elettroni.

Il team ha confrontato il segnale GW190521 con simulazioni al computer di fusioni bosone-stelle, e ha scoperto che questi effettivamente spiegano i dati leggermente meglio dell'analisi condotta da LIGO e Virgo. Il risultato implica che la fonte avrebbe proprietà diverse rispetto a quanto affermato in precedenza. Il dottor Calderón Bustillo dice, "Primo, non parleremmo più di collisione tra buchi neri, che elimina il problema di affrontare un buco nero "proibito". Secondo, perché le fusioni di stelle di bosoni sono molto più deboli, deduciamo una distanza molto più ravvicinata di quella stimata da LIGO e Virgo. Questo porta a una massa molto più grande per il buco nero finale, di circa 250 masse solari, quindi il fatto che abbiamo assistito alla formazione di un buco nero di massa intermedia rimane vero".

Il dottor Nicolás Sanchis-Gual afferma:"Le stelle bosone sono oggetti compatti quasi quanto i buchi neri ma, a differenza di loro, non hanno una superficie di "non ritorno". Quando si scontrano, formano una stella bosonica che può diventare instabile, alla fine collassando in un buco nero, e producendo un segnale coerente con quanto osservato da LIGO e Virgo. A differenza delle stelle normali, che sono fatti di ciò che comunemente chiamiamo materia, le stelle bosoniche sono costituite da quelli che conosciamo come bosoni ultraleggeri. Questi bosoni sono uno dei candidati più attraenti per costituire ciò che conosciamo come materia oscura".

Il team ha scoperto che anche se l'analisi tende a favorire l'ipotesi della fusione dei buchi neri, una fusione di stelle di bosoni è in realtà preferita dai dati, anche se in modo non definitivo. Il prof. Jose A. Font dell'Università di Valencia afferma:"I nostri risultati mostrano che i due scenari sono quasi indistinguibili dati i dati, sebbene l'ipotesi della stella bosonica esotica sia leggermente preferita. Questo è molto eccitante, poiché il nostro modello di stella bosone è, al momento, molto limitato, e soggetto a importanti miglioramenti. Un modello più evoluto potrebbe portare a prove ancora più grandi per questo scenario e ci consentirebbe anche di studiare precedenti osservazioni di onde gravitazionali sotto l'ipotesi di fusione tra bosone e stella".

Questo risultato non comporterebbe solo la prima osservazione di stelle di bosoni, ma anche quello del loro mattone, una nuova particella nota come bosone ultraleggero. Il prof. Carlos Herdeiro dell'Università di Aveiro afferma:"Uno dei risultati più affascinanti è che possiamo effettivamente misurare la massa di questa presunta nuova particella di materia oscura, e che un valore pari a zero viene scartato con alta confidenza. Se confermato da successive analisi di questa e di altre osservazioni di onde gravitazionali, il nostro risultato fornirebbe la prima prova osservativa per un candidato alla materia oscura a lungo cercato".