Uno dei grandi misteri sulle particelle di materia oscura è se interagiscono tra loro. Ancora non conosciamo l’esatta natura di cosa sia la materia oscura. Alcuni modelli sostengono che la materia oscura interagisce solo gravitazionalmente, ma molti altri ipotizzano che le particelle di materia oscura possano scontrarsi tra loro, aggregarsi e persino decadere in particelle che possiamo vedere. Se così fosse, allora oggetti con campi gravitazionali particolarmente forti come buchi neri, stelle di neutroni e nane bianche potrebbero catturare e concentrare la materia oscura. Ciò potrebbe a sua volta influenzare il modo in cui appaiono questi oggetti.
Ad esempio, uno studio esamina l’interazione tra la materia oscura e le stelle di neutroni. Lo studio è pubblicato su arXiv server di prestampa.
Le stelle di neutroni sono costituite dalla materia più densa del cosmo. I loro potenti campi gravitazionali potrebbero intrappolare la materia oscura e, a differenza dei buchi neri, qualsiasi radiazione proveniente dalla materia oscura non verrà intrappolata dietro un orizzonte degli eventi. Quindi le stelle di neutroni sono un candidato perfetto per studiare i modelli della materia oscura. Per questo studio, il team ha esaminato quanta materia oscura una stella di neutroni potrebbe catturare e come il decadimento delle particelle di materia oscura interagenti influenzerebbe la sua temperatura.
I dettagli dipendono dal modello specifico di materia oscura utilizzato. Invece di affrontare modelli varianti, il team ha esaminato le proprietà generali. Nello specifico, si sono concentrati su come la materia oscura e i barioni (protoni e neutroni) potrebbero interagire e se ciò potrebbe causare l’intrappolamento della materia oscura. Sicuramente, per la gamma di possibili interazioni barione-materia oscura, le stelle di neutroni possono catturare la materia oscura.
Il team ha poi esaminato come potrebbe verificarsi la termalizzazione della materia oscura. In altre parole, quando la materia oscura viene catturata, dovrebbe rilasciare energia termica nella stella di neutroni attraverso collisioni e annichilazione della materia oscura. Col tempo la materia oscura e la stella di neutroni dovrebbero raggiungere un equilibrio termico.
La velocità con cui ciò avviene dipende dalla forza con cui le particelle interagiscono, la cosiddetta sezione trasversale di scattering. Il team ha scoperto che l’equilibrio termico viene raggiunto abbastanza rapidamente. Per i modelli scalari semplici della materia oscura, l’equilibrio può essere raggiunto entro 10.000 anni. Per i modelli vettoriali della materia oscura, l’equilibrio può verificarsi in appena un anno. Indipendentemente dal modello, le stelle di neutroni possono raggiungere l'equilibrio termico in un batter d'occhio cosmico.
Se questo modello fosse corretto, allora la materia oscura potrebbe svolgere un ruolo misurabile nell’evoluzione delle stelle di neutroni. Potremmo, ad esempio, identificare la presenza di materia oscura osservando stelle di neutroni più calde del previsto. O forse anche distinguere diversi modelli di materia oscura in base allo spettro complessivo delle stelle di neutroni.
Ulteriori informazioni: Nicole F. Bell et al, Thermalizzazione e annientamento della materia oscura nelle stelle di neutroni, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.11892
Informazioni sul giornale: arXiv
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