Secondo una ricerca della Washington University di St. Louis, le fusioni di stelle di neutroni rappresentano una miniera di tesori per nuovi segnali fisici, con implicazioni nella determinazione della vera natura della materia oscura.
Il 17 agosto 2017, il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti e Virgo, un rilevatore in Italia, hanno rilevato onde gravitazionali derivanti dalla collisione di due stelle di neutroni. Per la prima volta, questo evento astronomico non è stato solo udito nelle onde gravitazionali ma anche visto nella luce da dozzine di telescopi a terra e nello spazio.
Il fisico Bhupal Dev di Arts &Sciences ha utilizzato le osservazioni di questa fusione di stelle di neutroni, un evento identificato nei circoli astronomici come GW170817, per ricavare nuovi vincoli sulle particelle simili agli assioni. Queste ipotetiche particelle non sono state osservate direttamente, ma compaiono in molte estensioni del modello standard della fisica.
Gli assioni e le particelle simili ad assioni sono i principali candidati a comporre parte o tutta la materia "mancante", o materia oscura, dell'universo di cui gli scienziati non sono ancora stati in grado di spiegare. Per lo meno, queste particelle che interagiscono debolmente possono servire come una sorta di portale, collegando il settore visibile di cui gli esseri umani sanno molto allo sconosciuto settore oscuro dell'universo.
"Abbiamo buone ragioni per sospettare che una nuova fisica oltre il modello standard potrebbe essere in agguato proprio dietro l'angolo", ha affermato Dev, primo autore dello studio in Physical Review Letters e membro della facoltà del McDonnell Center for the Space Sciences dell'università.
Quando due stelle di neutroni si fondono, si forma per un breve periodo di tempo un residuo caldo e denso. Questo residuo è un terreno fertile ideale per la produzione di particelle esotiche, ha detto Dev. "Il resto diventa molto più caldo delle singole stelle per circa un secondo prima di stabilizzarsi in una stella di neutroni più grande o in un buco nero, a seconda delle masse iniziali", ha detto.
Queste nuove particelle sfuggono silenziosamente ai detriti della collisione e, lontano dalla loro fonte, possono decadere in particelle conosciute, tipicamente fotoni. Dev e il suo team, tra cui Steven Harris (ora membro della NP3M presso l'Università dell'Indiana), nonché Jean-Francois Fortin, Kuver Sinha e Yongchao Zhang, hanno dimostrato che queste particelle sfuggite danno origine a segnali elettromagnetici unici che possono essere rilevati da telescopi per raggi gamma, come il Fermi-LAT della NASA.
Il gruppo di ricerca ha analizzato le informazioni spettrali e temporali di questi segnali elettromagnetici e ha stabilito che potevano distinguere i segnali dal noto background astrofisico.
Quindi, hanno utilizzato i dati Fermi-LAT su GW170817 per derivare nuovi vincoli sull’accoppiamento assione-fotone in funzione della massa dell’assione. Questi vincoli astrofisici sono complementari a quelli provenienti da esperimenti di laboratorio, come ADMX, che sonda una regione diversa dello spazio dei parametri assionici.
In futuro, gli scienziati potrebbero utilizzare i telescopi spaziali a raggi gamma esistenti, come il Fermi-LAT, o le missioni a raggi gamma proposte, come l’Advanced Particle-Astrophysics Telescope (APT) guidato da WashU, per effettuare altre misurazioni durante le collisioni di stelle di neutroni e aiutano a migliorare la loro comprensione delle particelle simili ad assioni.
"Gli ambienti astrofisici estremi, come le fusioni di stelle di neutroni, forniscono una nuova finestra di opportunità nella nostra ricerca di particelle del settore oscuro come gli assioni, che potrebbero contenere la chiave per comprendere l'85% mancante di tutta la materia nell'universo", ha affermato Dev. /P>
Ulteriori informazioni: P. S. Bhupal Dev et al, Primi vincoli sull'accoppiamento fotonico di particelle simili ad assioni da studi multimessenger sulla fusione di stelle di neutroni GW170817, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101003
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dalla Washington University di St. Louis
