le onde gravitazionali possono trasportare le tracce di eventuale materia oscura

Si ritiene che la materia oscura costituisca la maggior parte della materia dell’universo, ma l’unico modo in cui interagisce con l’ambiente circostante è attraverso la gravità. Se due buchi neri in collisione, spiraleggiando attraverso una regione densa di materia oscura, si fondessero, le onde gravitazionali che si propagano nello spazio e nel tempo potrebbero portare con sé un’impronta di quella materia oscura.

Ora, i fisici potrebbero essere in grado di individuare tali tracce di materia oscura nelle onde gravitazionali rilevate sulla Terra.

Ricercatori del MIT e di altri istituti europei hanno sviluppato un metodo che permette di prevedere l’aspetto di un’onda gravitazionale se fosse prodotta da buchi neri che si muovono attraverso la materia oscura, anziché nello spazio vuoto. Hanno applicato la tecnica ai dati sulle onde gravitazionali disponibili pubblicamente, precedentemente registrati da LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), la rete globale di osservatori che rileva le onde gravitazionali provenienti dalla fusione di buchi neri e da altre sorgenti astrofisiche distanti.

I ricercatori hanno analizzato i segnali di onde gravitazionali registrati durante le prime tre campagne di osservazione del telescopio LVK. Tra i 28 segnali più nitidi, il team ha scoperto che 27 provenivano da buchi neri che si sono fusi nel vuoto, come previsto dai fisici. Tuttavia, la configurazione di un segnale, GW190728, ha mostrato possibili segni di un’impronta di materia oscura.

Gli scienziati sottolineano di non aver rilevato la materia oscura. Piuttosto, il nuovo metodo offre un nuovo modo per analizzare i dati delle onde gravitazionali alla ricerca di indizi di materia oscura, che i fisici potranno poi approfondire e confermare con altre tecniche.

“Sappiamo che la materia oscura ci circonda. Deve solo essere sufficientemente densa perché possiamo osservarne gli effetti”, afferma Josu Aurrekoetxea, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica del MIT. “I buchi neri forniscono un meccanismo per aumentare questa densità, che ora possiamo ricercare analizzando le onde gravitazionali emesse quando si fondono.”

Aurrekoetxea e i suoi colleghi riportano i loro risultati in uno studio pubblicato oggi su Physical Review Letters . Gli altri autori dello studio sono Soumen Roy, membro dell’LVK e docente presso l’Université Catholique de Louvain (UCLouvain) in Belgio, Rodrigo Vicente dell’Università di Amsterdam, Katy Clough della Queen Mary University di Londra e Pedro Ferreira dell’Università di Oxford.

Un’oscura attrazione

La materia oscura è una forma di materia invisibile e ipotetica che, a differenza della normale materia che conosciamo, non interagisce con la forza elettromagnetica. La materia oscura può attraversare la luce, i campi magnetici e qualsiasi altra forma di energia dello spettro elettromagnetico senza lasciare traccia. L’unica prova dell’esistenza della materia oscura risiede nella sua apparente interazione con un’altra forza: la gravità.

Osservando come la gravità si incurva attorno alle galassie distanti, gli astronomi hanno ipotizzato che debba esistere una forza aggiuntiva, oltre all’attrazione gravitazionale delle galassie stesse, per spiegare la curvatura dei campi gravitazionali, o “lente gravitazionale”. Questa forza aggiuntiva, sospettano i fisici, è la materia oscura, che potrebbe rappresentare oltre l’85% della materia dell’universo. Ma la natura esatta della materia oscura è oggetto di un acceso dibattito, con teorie che presentano un’ampia varietà di dimensioni e proprietà delle particelle.

Una delle classi di materia oscura ipotizzate è costituita da particelle ” scalari leggere “, le cui masse sono di molti ordini di grandezza inferiori a quella di un elettrone. I teorici prevedono che tale materia oscura dovrebbe comportarsi non solo come particelle, ma anche come onde coordinate quando si muovono in prossimità dei buchi neri.

Quando le onde di materia oscura entrano in contatto con un buco nero in rapida rotazione , i fisici prevedono che l’energia rotazionale del buco nero possa essere trasferita alla materia oscura, amplificandola. Questo fenomeno, noto come superradianza, potenzierebbe le onde fino a raggiungere densità di materia oscura estremamente elevate, un po’ come trasformare la panna in burro.

A densità sufficientemente elevate, la materia oscura scalare leggera, che è invisibile secondo tutte le altre teorie, dovrebbe lasciare un’impronta sulle onde gravitazionali che si propagano dalla collisione dei buchi neri.

Ma che aspetto avrebbe esattamente questa impronta? E potrebbe essere rilevabile nelle onde gravitazionali che raggiungono la Terra, provenienti da buchi neri che si sono fusi a milioni di anni luce di distanza?

Per rispondere a queste domande, Aurrekoetxea e i suoi colleghi hanno sviluppato un modello per prevedere la forma d’onda gravitazionale, ovvero lo schema delle onde gravitazionali che due buchi neri produrrebbero se si scontrassero in un ambiente di materia oscura, rispetto a una collisione nel vuoto (spazio vuoto, senza materia oscura).

La previsione di un’impronta

Per il loro nuovo studio, il team ha eseguito simulazioni numeriche dettagliate per prevedere l’onda gravitazionale che verrebbe prodotta in base a diverse proprietà di due buchi neri in collisione, un sistema noto come “binario di buchi neri”. Hanno preso in considerazione sistemi binari di buchi neri in una serie di scenari e con diverse proprietà. Ad esempio, variando le dimensioni e la massa di ciascun buco nero, l’ambiente di materia oscura che i buchi neri potrebbero attraversare e la densità della materia oscura che i buchi neri metterebbero in rotazione.

Hanno progettato il modello per prevedere che aspetto avrebbe un’onda gravitazionale proveniente da un sistema binario di buchi neri se portasse con sé un’impronta di materia oscura, e inoltre, che aspetto avrebbe quell’onda se percorresse una determinata distanza attraverso lo spazio e il tempo, per arrivare infine a un rivelatore sulla Terra.

Con il loro modello, i ricercatori hanno cercato di verificare se i segnali di onde gravitazionali rilevati sulla Terra corrispondessero ai modelli previsti per le impronte di materia oscura. A tal fine, hanno applicato il modello ai dati pubblicamente disponibili registrati da LVK durante le prime tre campagne di osservazione degli osservatori. In questo periodo, gli osservatori hanno captato centinaia di segnali di onde gravitazionali. Per i loro scopi, i ricercatori si sono concentrati sui segnali più chiari, comprendenti onde gravitazionali provenienti da 28 eventi distinti.

Per ciascun evento, il team ha confrontato il modello dell’onda gravitazionale effettiva con quello che aveva ipotizzato, ovvero come apparirebbe il segnale se fosse generato dallo stesso evento in un ambiente di materia oscura. Hanno inoltre confrontato l’onda gravitazionale con lo scenario più plausibile, in cui il segnale viene prodotto nel vuoto.

Dei 28 segnali più chiari analizzati, 27 rientravano pienamente nelle previsioni per essere stati prodotti nel vuoto. Tuttavia, il modello di un evento, GW190728, ha mostrato una “preferenza”, ovvero una concordanza con il modello di materia oscura del team. In altre parole, il segnale potrebbe recare un’impronta di materia oscura.

GW190728 è un’onda gravitazionale che prende il nome dalla data in cui è stata rilevata: il 28 luglio 2019. Gli scienziati avevano precedentemente stabilito che l’onda gravitazionale proveniva da un sistema binario di buchi neri con una massa totale pari a circa 20 volte la massa del Sole. Con il loro modello, il team ha dimostrato che un sistema di questo tipo avrebbe potuto fondersi attraverso una densa nube di materia oscura e produrre un’onda gravitazionale simile a GW190728.

“La significatività statistica di questo risultato non è sufficientemente elevata per affermare di aver rilevato la materia oscura, e ulteriori verifiche dovrebbero essere effettuate da gruppi indipendenti”, afferma Aurrekoetxea. “Ciò che riteniamo importante sottolineare è che, senza modelli di forma d’onda come il nostro, potremmo rilevare fusioni di buchi neri in ambienti di materia oscura, ma classificarle sistematicamente come avvenute nel vuoto.”

“Ora abbiamo la possibilità di scoprire la materia oscura attorno ai buchi neri, grazie alla continua raccolta dati dei rivelatori LVK nei prossimi anni”, afferma il coautore Soumen Roy, che ha guidato la parte di analisi dei dati dello studio. “È un momento entusiasmante per la ricerca di nuova fisica tramite le onde gravitazionali.”

“Utilizzare i buchi neri per cercare la materia oscura sarebbe fantastico”, aggiunge il coautore Rodrigo Vicente, che ha sviluppato il modello analitico del segnale. “Saremmo in grado di studiare la materia oscura a scale molto più piccole di quanto sia mai stato possibile prima.”

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