Un team globale di scienziati, tra cui due fisici dell'Università del Mississippi, ha scoperto che gli stessi strumenti utilizzati nella storica scoperta delle onde gravitazionali causate dalla collisione dei buchi neri potrebbero aiutare a svelare i segreti della materia oscura, una componente misteriosa e ancora inosservata dell'universo.

I risultati della ricerca di Emanuele Berti, professore associato di fisica e astronomia UM, Shrobana Ghosh, uno studente laureato, e i loro colleghi appare nel numero di settembre di Lettere di revisione fisica , una delle riviste accademiche più prestigiose del settore. "Onde gravitazionali stocastiche e risolvibili da bosoni ultraleggeri" è co-autore dei colleghi scienziati Richard Brito, Enrico Barausse, Vittorio Cardoso, Irina Dvorkin, Antoine Klein e Paolo Pani.

La natura della materia oscura rimane sconosciuta, ma gli scienziati stimano che sia cinque volte più abbondante della materia ordinaria in tutto l'universo.

"La natura della materia oscura è uno dei più grandi misteri della fisica, " ha detto Berti. "È notevole che ora possiamo fare fisica delle particelle - indagare sul "molto piccolo" - osservando l'emissione di onde gravitazionali dai buchi neri, gli oggetti più grandi e semplici dell'universo."

PRL è una delle numerose pubblicazioni prodotte dall'American Physical Society e dall'American Institute of Physics. Contiene documenti considerati rappresentativi di significativi progressi nella ricerca, e quindi, pubblicato rapidamente in breve, formato lettera per un vasto pubblico di fisici.

Questo articolo descrive in dettaglio i calcoli degli scienziati, che lavorano in Germania, Francia, Italia, Portogallo e Stati Uniti, mostrano che gli interferometri a onde gravitazionali possono essere utilizzati per rilevare indirettamente la presenza di materia oscura.

Un documento di accompagnamento del team, "Ricerche di onde gravitazionali di bosoni ultraleggeri con LIGO e LISA, " anche è stato accettato e apparirà in Revisione fisica D .

I calcoli mostrano che alcuni tipi di materia oscura potrebbero formare nuvole giganti attorno ai buchi neri astrofisici. Se in natura esistono particelle scalari ultraleggere, buchi neri a rotazione rapida attiverebbero la crescita di tali "condensati" scalari a spese della loro energia rotazionale, producendo una nuvola che ruota intorno al buco nero, ora gira più lentamente, ed emette onde gravitazionali, praticamente come un gigantesco faro nel cielo.

"Una possibilità è che la materia oscura sia costituita da campi scalari simili al bosone di Higgs, ma molto più leggero dei neutrini, " ha detto Pani. "Questo tipo di materia oscura è difficile da studiare negli acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider del CERN, ma potrebbe essere accessibile ai rilevatori di onde gravitazionali."

Il team guidato da Brito ha studiato le onde gravitazionali emesse dal sistema "buco nero più nuvola". A seconda della massa delle particelle ipotetiche, il segnale è abbastanza forte da essere rilevato dall'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser, con strumenti in Louisiana e Washington, e la sua controparte europea Vergine, nonché dalla futura missione spaziale Laser Interferometer Space Antenna.

"Sorprendentemente, le onde gravitazionali provenienti da sorgenti troppo deboli per essere rilevabili individualmente possono produrre un forte fondo stocastico, " ha detto Brito. "Questo lavoro suggerisce che un'attenta analisi del background nei dati LIGO potrebbe escludere - o rilevare - la materia oscura ultraleggera da parte degli interferometri a onde gravitazionali.

"Questo è un nuovo, eccitante frontiera nella fisica delle astroparticelle che potrebbe far luce sulla nostra comprensione dell'universo microscopico".

LIGO è offline da alcuni mesi per aggiornamenti. Il team prevede di annunciare nuovi, risultati entusiasmanti dalla sua seconda serie di osservazioni a breve.

"Il nostro lavoro mostra che un'attenta analisi delle onde gravitazionali stocastiche nei dati che hanno già preso può essere utilizzata per porre vincoli interessanti alla natura della materia oscura, " ha detto Berti.

Questo lavoro innovativo "conferma l'alta qualità del lavoro in fisica delle astroparticelle e astronomia delle onde gravitazionali svolto dai membri del gruppo di fisica gravitazionale presso UM, ampiamente riconosciuto come uno dei leader nel settore, " ha detto Luca Bombelli, cattedra e professore di fisica e astronomia presso Ole Miss.