Un recente studio internazionale suggerisce che le onde gravitazionali emesse dalla coalescenza di buchi neri potrebbero racchiudere l’impronta di aloni di materia oscura ultraleggera.
Un nuovo modello teorico prevede come le onde gravitazionali (onde blu e rosse) possano trasportare tracce di eventuale materia oscura (viola chiaro) che due buchi neri in fusione attraversano mentre spiraleggiano. Credits: Courtesy of Josu Aurrekoetxea, et al.
La materia oscura è una componente fondamentale dell’Universo, eppure rimane un’entità sfuggente poiché non emette né assorbe radiazione elettromagnetica; interagisce con il resto del cosmo solo attraverso la gravità. Da decenni, i fisici cercano un modo per rivelarla direttamente e per comprendere la natura dei suoi costituenti. Un nuovo e recente studio internazionale guidato da ricercatori del MIT e di prestigiosi atenei europei suggerisce una strada inedita: analizzare le onde gravitazionali, increspature nel tessuto spaziotemporale, generate dalla fusione di buchi neri. L’idea è che se questi oggetti compatti attraversano regioni dense di materia oscura prima di scontrarsi, le onde gravitazionali prodotte potrebbero portare con sé un’impronta indelebile di quell’ambiente invisibile.
Il Modello Standard della fisica delle particelle non include la materia oscura, ma molte sue estensioni teoriche prevedono l’esistenza di particelle scalari leggere, ovvero entità ipotetiche con masse miliardi di volte inferiori a quella dell’elettrone. Secondo la meccanica quantistica, queste particelle non si comportano solo come corpuscoli, ma anche come onde coerenti. Quando un’onda di materia oscura incontra un buco nero in rapida rotazione, si innesca un fenomeno relativistico chiamato “superradianza”. Il buco nero cede parte della sua energia rotazionale al campo scalare, amplificandolo fino a formare una sorta di alone denso e stabile attorno all’orizzonte degli eventi. In sostanza, l’energia di rotazione trasforma un campo diffuso in una struttura compatta, con una densità che può superare di parecchi ordini di grandezza quella della materia oscura diffusa nella nostra galassia.
Fino a qualche tempo fa, i ricercatori pensavano che questi aloni non avrebbero potuto sopravvivere alla turbolenta danza gravitazionale che precede il merger di due buchi neri. Tuttavia, recenti simulazioni di relatività numerica hanno ribaltato questa ipotesi: una frazione significativa dell’alone può resistere fino alle fasi finali dello spiraleggiamento e la dinamica di questo sistema binario può addirittura catturare nuova materia oscura dall’ambiente circostante e aumentare la densità dell’alone. Per tradurre questa intuizione in uno strumento di ricerca, il team ha sviluppato un modello semi-analitico delle forme d’onda gravitazionali, creando una “firma teorica” che ha la funzione di descrivere come dovrebbe cambiare il segnale se i buchi neri in coalescenza fossero immersi in un ambiente scalare e non nel vuoto. Quando l’alone è sufficientemente esteso rispetto alla separazione orbitale dei due buchi neri, l’interazione si manifesta attraverso uno scambio di momento angolare. Questa condizione modifica lievemente la velocità di avvicinamento, traducendosi in una variazione della fase dell’onda (ritardo o anticipo) rispetto alle previsioni che la relatività generale fornisce per un sistema binario in coalescenza nel vuoto.
Per testarlo, i ricercatori hanno applicato il loro modello ai dati pubblici del catalogo GWTC-3, analizzando 28 eventi registrati dagli interferometri LIGO, Virgo e KAGRA. Ventisette su ventotto risultarono essere perfettamente compatibili con una fusione nel vuoto, non presentando alcuna anomalia nel segnale. Non fu così invece per l’evento GW190728, rilevato il 28 luglio 2019 e originato dalla coalescenza di due buchi neri con massa totale di circa 20 masse solari. Per questo segnale, il nuovo modello con ambiente scalare mostrò un accordo significativamente migliore con i dati. Un altro dato interessante a sostegno della bontà del modello è che, se si ignorasse la possibile presenza di un ambiente scalare, si otterrebbero stime completamente inaccurate dei parametri del sistema binario, come la massa e lo spin. Anche se, per ora, non si può definire una scoperta consolidata, si tratta comunque di un forte indizio che richiede conferme. Applicando vincoli fisici realistici al sistema, l’analisi proposta suggerisce la possibile esistenza di una particella scalare con massa di circa 10⁻¹² elettronvolt, un valore estremamente piccolo, ma in linea con alcuni candidati per la materia oscura ultraleggera e gli assioni. Questo studio è promettente perché apre la possibilità di sfruttare un nuovo canale osservativo. Finora, la ricerca di scalari leggeri si basava su misure indirette degli spin o sulla caccia a onde gravitazionali continue. Qui, per la prima volta, si sfruttano invece le sottili distorsioni nella fase del segnale durante lo spiraleggiamento. In definitiva, le onde gravitazionali potrebbero non solo essere uno strumento per studiare l’astrofisica di oggetti molto compatti come i buchi neri, ma diventare anche una sorta di “microscopio cosmico” per sondare la natura della materia oscura e le estensioni del Modello Standard.
Come ha dichiarato Josu Aurrekoetxea del MIT, uno degli autori: “Sappiamo che la materia oscura è intorno a noi. Deve solo essere abbastanza densa da rivelare i suoi effetti. I buchi neri forniscono un meccanismo naturale per concentrarla e ora possiamo cercarla analizzando le onde che emettono fondendosi.” I futuri osservatori come l’Einstein Telescope e Cosmic Explorer raccoglieranno segnali più intensi e frequenti, permettendo test sempre più stringenti. Per ora, l’analisi di GW190728 resta un’ipotesi affascinante che potrebbe nascondere la chiave per trovare la risposta a uno dei più grandi misteri della scienza.