Sebbene i ricercatori abbiano studiato la materia oscura e abbiano cercato di osservarla, la sua natura è un mistero scientifico di vecchia data. Il modello cosmologico standard suggerisce che circa un quarto dell'energia cosmologica e della materia è quasi immune alle interazioni elettromagnetiche, quindi l'unico modo per osservarlo è studiarne gli effetti gravitazionali. Però, il tipo di particelle che compongono la materia oscura è ancora oggetto di dibattito.

Una teoria che ha ricevuto notevole attenzione nell'ultimo decennio circa ipotizza che la materia oscura sia almeno in parte costituita da particelle ultraleggere (cioè, molto più leggero degli elettroni, ad esempio). Queste particelle differiscono dalle particelle ordinarie in diversi modi. Ad esempio, i loro elettroni, protoni o neutroni, che costituiscono tutti gli elementi della tavola periodica, sono fermioni. Di conseguenza, le particelle hanno spin semiintero, che è uguale a metà.

Le particelle ultraleggere proposte come candidate alla materia oscura sono conosciute come bosoni. I bosoni hanno spin intero, il che significa che potrebbe essere, ad esempio, zero o uno. La differenza chiave tra fermioni e bosoni è che i fermioni seguono il cosiddetto principio di esclusione di Pauli, che afferma che due fermioni uguali non possono essere nello stesso posto, mentre si respingono. D'altra parte, i bosoni possono raggrupparsi uno sopra l'altro, talvolta formando anche oggetti macroscopici costituiti da un numero astronomico di bosoni uguali.

Ricercatori dell'Universidade de Lisboa, L'Universitat de València e l'Universidade de Aveiro hanno recentemente condotto un affascinante studio esplorando la dinamica delle stelle bosoniche rotanti, che sono stelle formate da ammassi di bosoni ultraleggeri. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , fornisce nuove preziose informazioni sulle dinamiche di diversi tipi di stelle bosoniche rotanti.

"Se i bosoni sono ultraleggeri, possono formare oggetti con la massa di una stella come il sole o anche più massicci, " hanno detto i ricercatori a Phys.org via e-mail. "Queste stelle, chiamate stelle bosoniche, possono essere dispersi in tutto l'universo, che costituiscono parte (o tutta) della materia oscura. La domanda è se queste stelle sono stabili".

Studi precedenti hanno dimostrato che quando le stelle non ruotano, sono stabili. Però, mentre il sole e tutte le stelle e i pianeti conosciuti nella nostra galassia ruotano attorno al loro asse, ci si aspetta che altre stelle lo facciano, anche.

"La domanda persistente era se le stelle bosoniche rotanti fossero stabili, " hanno detto i ricercatori. "Il nostro documento risponde a questa domanda e la risposta è più ricca del previsto".

Globale, le stelle bosoniche possono essere abbastanza compatte, il che significa che la loro massa è contenuta in un piccolo spazio. A causa di questa particolare qualità, queste stelle sono meglio descritte usando la teoria della relatività generale di Albert Einstein piuttosto che la gravità newtoniana.

Nel loro studio, i ricercatori dell'Universidade de Lisboa, L'Universitat de València e l'Universidade de Aveiro hanno eseguito una serie di simulazioni di relatività numerica utilizzando una piattaforma gratuita chiamata Einstein Toolkit. Nonostante queste simulazioni, risolvevano numericamente le equazioni della relatività generale, che descrivono il comportamento della gravità, così come le corrispondenti equazioni di evoluzione per la materia che compone le stelle bosoniche.

"L'esecuzione di evoluzioni numeriche richiede dati iniziali corretti che descrivano come sono i campi gravitazionale e di materia in un momento iniziale, " hanno spiegato i ricercatori. "Abbiamo quindi considerato due scenari. Nel primo scenario, una grande nube della corrispondente materia bosonica sta per collassare per formare (potenzialmente) una stella rotante. Nel secondo scenario, si parte da una stella in equilibrio per valutare se è robusta alle perturbazioni, o, d'altra parte, se è instabile."

Le stelle bosoniche rotanti possono avere diverse morfologie. Se la particella di cui sono fatti ha spin uguale a zero, sono chiamate stelle scalari. D'altra parte, se questa particella ha spin uguale a uno, sono chiamate stelle vettoriali.

La teoria della relatività generale di Einstein descrive le stelle bosoniche quando sono compatte, prevedendo che le stelle scalari rotanti abbiano una forma a ciambella (cioè, toro). La stessa teoria prevede che le stelle vettoriali abbiano una forma più comune per la rotazione, stelle più o meno sferiche, ma leggermente appiattito ai poli (cioè, sferoidale), come quello del pianeta Terra.

interessante, le simulazioni numeriche e le analisi effettuate dai ricercatori mostrano che quando le stelle toroidali sono leggermente disturbate, alla fine si rompono a pezzi. Alcuni di questi pezzi vengono poi spinti via, prendendo il momento angolare della stella.

"Il risultato finale è una fissione totale della stella originale, o in alcuni casi, il rilassamento della stella originale ad un accendino, stella non rotante, o ancora, in altri casi, il completo collasso della stella in un buco nero, " hanno detto i ricercatori. "Nel caso delle stelle sferoidali, d'altra parte, sono robusti alle perturbazioni, come le normali stelle conosciute nell'universo."

I ricercatori hanno raccolto risultati interessanti che potrebbero far luce sulla dinamica delle stelle bosoniche. Forse ancora più sorprendentemente, però, lo studio suggerisce che il rilevamento di stelle rotanti di materia oscura ultraleggera potrebbe aiutare a comprendere meglio la natura delle particelle che compongono la materia oscura, in particolare il loro giro. Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di condurre ulteriori ricerche incentrate sull'instabilità delle stelle bosoniche scalari rotanti, considerando un tipo di particella più complessa che può interagire con se stessa.

"Queste auto-interazioni sono suggerite da alcuni modelli della materia oscura e della fisica delle alte energie, " hanno spiegato i ricercatori. "La domanda che ci interessa esplorare è:possono placare l'instabilità? Inoltre, vorremmo valutare se l'instabilità è intrinsecamente correlata alla morfologia. Questo è, se le stelle toroidali sono sempre instabili. Per fare questo, stiamo analizzando alcuni modelli più complicati di stelle vettoriali rotanti che possono assumere la forma toroidale per verificare se sono anche instabili".

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