I ricercatori potrebbero aver individuato un possibile indizio di materia oscura nascosto all’interno di un’onda gravitazionale proveniente dalla fusione di buchi neri.

I fisici del MIT e di diverse istituzioni europee hanno sviluppato un metodo per identificare possibili tracce di materia oscura nascoste nelle onde gravitazionali. Queste increspature nello spazio-tempo si creano quando oggetti massicci come i buchi neri spiraleggiano e si fondono. Se questi buchi neri attraversano dense nubi di materia oscura prima di collidere, le onde gravitazionali risultanti potrebbero contenere sottili tracce di tale interazione.

Il team ha testato il proprio approccio utilizzando dati pubblicamente disponibili raccolti da LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), la rete internazionale di osservatori di onde gravitazionali che monitora le fusioni di buchi neri e altri eventi cosmici distanti.

Alla ricerca di indizi sulla materia oscura nelle onde gravitazionali

I ricercatori hanno analizzato i segnali raccolti durante le prime tre sessioni di osservazione di LVK. Si sono concentrati su 28 degli eventi di onde gravitazionali più chiari rilevati finora.

Per 27 di questi eventi, i segnali corrispondevano a ciò che gli scienziati si aspetterebbero dalla fusione di buchi neri nello spazio vuoto. Ma un segnale, noto come GW190728, è apparso diverso. Secondo l’analisi del team, il modello di quest’onda gravitazionale potrebbe contenere prove di un’interazione con la materia oscura.

I ricercatori sottolineano che ciò non equivale a una scoperta confermata della materia oscura. Piuttosto, la nuova tecnica fornisce un modo per analizzare i dati delle onde gravitazionali alla ricerca di segnali promettenti che potrebbero essere successivamente ulteriormente indagati.

“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.”

I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters. Aurrekoetxea ha collaborato alla stesura dello studio con Soumen Roy dell’Université Catholique de Louvain (UCLouvain), membro dell’LVK, Rodrigo Vicente dell’Università di Amsterdam, Katy Clough della Queen Mary University di Londra e Pedro Ferreira dell’Università di Oxford.

Come i buchi neri potrebbero amplificare la materia oscura

La materia oscura rimane uno dei più grandi misteri della fisica. Gli scienziati ne deducono l’esistenza perché la gravità attorno alle galassie sembra essere più forte di quanto la sola materia visibile possa spiegare. Le osservazioni della lente gravitazionale, in cui la luce si incurva attorno alle galassie, suggeriscono che un’ulteriore fonte di massa invisibile stia influenzando lo spazio.

Le stime attuali suggeriscono che la materia oscura potrebbe rappresentare oltre l’85% della materia presente nell’universo. Tuttavia, i ricercatori non sanno ancora di cosa sia effettivamente composta.

Una delle ipotesi proposte riguarda particelle estremamente leggere chiamate particelle “scalari leggere”. Le teorie suggeriscono che queste particelle possano comportarsi come onde coordinate in prossimità dei buchi neri.

Gli scienziati ritengono che quando queste onde incontrano un buco nero in rapida rotazione, l’energia rotazionale del buco nero possa trasferirsi alle onde di materia oscura, aumentandone drasticamente la densità. Questo processo, noto come superradianza, è stato paragonato alla trasformazione della panna in burro.

Se la densità diventasse sufficientemente elevata, la materia oscura potrebbe alterare le onde gravitazionali prodotte dalla collisione dei buchi neri.

Prevedere le impronte della materia oscura nello spazio-tempo

Per indagare su questa possibilità, i ricercatori hanno realizzato simulazioni dettagliate di fusioni di buchi neri in diverse condizioni. Hanno variato fattori quali le masse e le dimensioni dei buchi neri, la quantità di materia oscura circostante e la densità di tale materia.

Utilizzando queste simulazioni, il team ha previsto come apparirebbero le onde gravitazionali se i buchi neri si fondessero all’interno di un ambiente denso di materia oscura anziché nel vuoto.

Il modello ha inoltre tenuto conto di come queste onde si sarebbero modificate viaggiando per milioni di anni luce prima di raggiungere i rilevatori sulla Terra.

I ricercatori hanno quindi confrontato le loro previsioni con le osservazioni reali di LVK. Tra i 28 segnali più forti esaminati, GW190728 è stato l’unico evento a mostrare concordanza con lo scenario della materia oscura.

GW190728 è stato rilevato per la prima volta il 28 luglio 2019. Studi precedenti avevano stabilito che il segnale proveniva da due buchi neri con una massa combinata pari a circa 20 volte quella del Sole. Secondo la nuova analisi, questi buchi neri potrebbero essersi fusi all’interno di una densa nube di materia oscura.

Un nuovo strumento promettente per la ricerca sulla materia oscura

“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.”

Secondo i ricercatori, il crescente numero di osservazioni di onde gravitazionali potrebbe rendere questo approccio sempre più utile nei prossimi anni.

“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.”

La ricerca è stata parzialmente finanziata dalla National Science Foundation degli Stati Uniti e dal Center for Theoretical Physics del MIT, un istituto Leinweber.

Le particelle scalari leggere emergono naturalmente in molte estensioni del modello standard e sono candidati convincenti per la materia oscura. Le interazioni gravitazionali vicino ai buchi neri possono innescare la crescita di dense configurazioni scalari che, se mantenute durante la fase di avvicinamento, alterano la dinamica binaria e imprimono firme sui segnali delle onde gravitazionali. Rilevare tali effetti fornirebbe una nuova sonda per la fisica fondamentale e la materia oscura. In questo lavoro, sviluppiamo un modello di forma d’onda semianalitico per sistemi binari in ambienti scalari, lo validiamo rispetto a simulazioni numeriche di relatività e lo applichiamo in un’analisi bayesiana del catalogo LIGO-Virgo-KAGRA. Otteniamo limiti superiori fisicamente significativi sulle densità scalari attorno alla maggior parte dei sistemi binari compatti. Per GW190728 e GW190814, il vuoto si trova al di fuori della regione credibile del 95%. Quando si includono i priori di superradianza, GW190728 mostra una prova preliminare di un ambiente scalare con un fattore di Bayes di ln ℬenv vac≈3.5, coerente con uno scalare leggero di massa ∼10−12  eV.