La materia oscura è una sostanza spettrale che gli astronomi non sono riusciti a rilevare per decenni, ma che sappiamo ha un’enorme influenza sulla materia normale nell’universo, come le stelle e le galassie. Attraverso la massiccia attrazione gravitazionale che esercita sulle galassie, le fa ruotare, dà loro una spinta extra lungo le loro orbite o addirittura le fa a pezzi.
Come uno specchio carnevalesco cosmico, piega anche la luce proveniente da oggetti distanti per creare immagini distorte o multiple, un processo chiamato lente gravitazionale.
E ricerche recenti suggeriscono che potrebbe creare ancora più drammaticità di così, producendo stelle che esplodono.
Nonostante tutto lo scompiglio che provoca con le galassie, non si sa molto sul fatto se la materia oscura possa interagire con se stessa, se non attraverso la gravità. Se sperimenta altre forze, queste devono essere molto deboli, altrimenti sarebbero state misurate.
Un possibile candidato per una particella di materia oscura, costituito da un'ipotetica classe di particelle massicce debolmente interagenti (o WIMP), è stato studiato intensamente, finora senza prove osservative.
Recentemente, altri tipi di particelle, anch'esse debolmente interagenti ma estremamente leggere, sono diventate al centro dell'attenzione. Queste particelle, chiamate assioni, furono proposte per la prima volta alla fine degli anni '70 per risolvere un problema quantistico, ma potrebbero anche adattarsi alla questione della materia oscura.
A differenza dei WIMP, che non possono "attaccarsi" insieme per formare piccoli oggetti, gli assioni possono farlo. Poiché sono così leggeri, un numero enorme di assioni dovrebbe rappresentare tutta la materia oscura, il che significa che dovrebbero essere stipati insieme. Ma poiché sono un tipo di particella subatomica conosciuta come bosone, a loro non importa.
In effetti, i calcoli mostrano che gli assioni potrebbero essere così ravvicinati da iniziare a comportarsi in modo strano – agendo collettivamente come un’onda – secondo le regole della meccanica quantistica, la teoria che governa il micromondo di atomi e particelle. Questo stato è chiamato condensato di Bose-Einstein e potrebbe, inaspettatamente, consentire agli assioni di formare "stelle" proprie.
Ciò accadrebbe quando l’onda si muove da sola, formando quello che i fisici chiamano “solitone”, ovvero un grumo localizzato di energia che può muoversi senza essere distorto o disperso. Questo è spesso visibile sulla Terra nei vortici e nei mulinelli o negli anelli di bolle di cui i delfini si divertono sott'acqua.
Il nuovo studio fornisce calcoli che mostrano che tali solitoni finirebbero per aumentare di dimensioni, diventando una stella, di dimensioni simili o più grandi di una stella normale. Ma alla fine diventano instabili ed esplodono.
L'energia rilasciata da una di queste esplosioni (soprannominata "bosenova") rivaleggia con quella di una supernova (una stella normale che esplode). Dato che la materia oscura supera di gran lunga la materia visibile nell’universo, ciò lascerebbe sicuramente un segno nelle nostre osservazioni del cielo. Dobbiamo ancora trovare cicatrici di questo tipo, ma il nuovo studio ci dà qualcosa a cui cercare.
Un test osservativo
I ricercatori che hanno condotto lo studio affermano che il gas circostante, costituito da materia normale, assorbirebbe questa energia extra dall’esplosione e ne riemetterebbe una parte. Poiché la maggior parte di questo gas è costituito da idrogeno, sappiamo che questa luce dovrebbe essere nelle radiofrequenze.
È interessante notare che le future osservazioni con il radiotelescopio Square Kilometer Array potrebbero essere in grado di rilevarlo.
Quindi, mentre i fuochi d’artificio delle esplosioni di stelle oscure potrebbero essere nascosti alla nostra vista, potremmo essere in grado di trovare le loro conseguenze nella materia visibile. La cosa fantastica è che una tale scoperta ci aiuterebbe a capire di cosa è effettivamente composta la materia oscura:in questo caso, molto probabilmente, assioni.
Cosa succede se le osservazioni non rilevano il segnale previsto? Ciò probabilmente non escluderà completamente questa teoria, poiché sono ancora possibili altre particelle "simili ad assioni". Un fallimento nel rilevamento può indicare, tuttavia, che le masse di queste particelle sono molto diverse o che non si accoppiano con le radiazioni in modo così forte come pensavamo.
In effetti, questo è già successo prima. Originariamente si pensava che gli assioni si accoppiassero così forte da riuscire a raffreddare il gas all'interno delle stelle. Ma poiché i modelli di raffreddamento stellare mostravano che le stelle funzionavano perfettamente senza questo meccanismo, la forza di accoppiamento degli assioni doveva essere inferiore a quanto inizialmente ipotizzato.
Naturalmente non vi è alcuna garanzia che la materia oscura sia composta da assioni. I WIMP sono ancora contendenti in questa corsa, e ce ne sono anche altri.
Per inciso, alcuni studi suggeriscono che anche la materia oscura simile alle WIMP potrebbe formare “stelle oscure”. In questo caso, le stelle sarebbero ancora normali (fatte di idrogeno ed elio), con la materia oscura che le alimenta.
Si prevede che queste stelle oscure alimentate dalle WIMP siano supermassicce e vivano solo per un breve periodo nell'universo primordiale. Ma potrebbero essere osservati dal telescopio spaziale James Webb. Uno studio recente ha rivendicato tre di queste scoperte, anche se la giuria non è ancora in grado di stabilire se sia davvero così.
Tuttavia, l’entusiasmo per gli assioni è in crescita e ci sono molti progetti per rilevarli. Ad esempio, ci si aspetta che gli assioni si convertano in fotoni quando passano attraverso un campo magnetico, quindi le osservazioni di fotoni con una certa energia prendono di mira stelle con campi magnetici, come le stelle di neutroni, o persino il sole.
Sul fronte teorico, ci sono sforzi per affinare le previsioni su come apparirebbe l’universo con diversi tipi di materia oscura. Ad esempio, gli assioni possono essere distinti dai WIMP per il modo in cui piegano la luce attraverso la lente gravitazionale.
Con osservazioni e teorie migliori, speriamo che il mistero della materia oscura venga presto svelato.
Fornito da The Conversation
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