Si ritiene che la materia oscura costituisca la maggior parte della materia presente nell’universo, e che l’unico modo in cui interagisce con l’ambiente circostante sia attraverso la gravità. Ciò significa che se due buchi neri in collisione finissero per fondersi all’interno di una regione densa di materia oscura, le onde gravitazionali prodotte dall’evento potrebbero trasportare un’impronta di quella materia oscura. È l’ipotesi sulla quale si è esercitato un team di ricercatori di alcune università europee (guidate dall’Université Catholique de Louvain, in Belgio) e del Massachusetts Institute of Technology (Mit). Ipotesi illustrata in un articolo, pubblicato il mese scorso su Physical Review Letter, nel quale viene presentato un nuovo metodo che permette di prevedere le caratteristiche che dovrebbe avere un’onda gravitazionale se fosse generata da buchi neri che si muovono, appunto, attraverso la materia oscura anziché nello spazio vuoto. Il metodo è stato poi messo alla prova sui dati registrati dagli interferometri della Collaborazione Ligo-Virgo-Kagra (Lvk).

Un nuovo modello sviluppato dai fisici del Mit e di altri istituti prevede come le onde gravitazionali (onde blu e rosse) possano trasportare tracce di eventuali tracce di materia oscura (viola chiaro) attraverso cui due buchi neri in fusione si muovono a spirale. Crediti: per gentile concessione dei ricercatori

Gli autori dello studio hanno rappresentato la materia oscura tramite un campo scalare leggero, ipotizzando dunque che sia composta da particelle molto leggere (con una massa di circa 10⁻¹² eV) che si accumulano attorno ai buchi neri formando delle nubi. Attraverso un nuovo modello matematico semi-analitico, hanno poi calcolato come la presenza di questo campo scalare – che si comporta fluidodinamicamente – modifichi l’orbita dei buchi neri.

Considerando la particella come un’onda quantistica, quando questa si avvicina a un buco nero rotante la sua energia viene amplificata riuscendo a “rubare” momento angolare al buco nero stesso. Poiché però questo bosone ha una massa, seppur piccolissima, non riesce a sfuggire e viene tirato indietro dall’attrazione gravitazionale, creando un ciclo che si ripete. Questo evento ciclico, chiamato “instabilità superradiante”, fa sì che il campo scalare si gonfi, creando una densa zona di materia oscura che frena l’orbita dei buchi neri prima della fusione.

Applicando questo modello ai dati degli interferometri, i ricercatori hanno analizzato le onde gravitazionali relative a 28 eventi di merging – quelli con i segnali più nitidi – registrati durante le prime tre campagne di osservazione. Mentre la quasi totalità degli eventi è risultata associata a segnali compatibili con fusioni avvenute nel vuoto, l’evento catalogato come Gw 190728 ha mostrato un’anomalia sorprendente: le analisi indicano infatti che – con una probabilità superiore al 95 per cento – questa collisione non è avvenuta in uno spazio vuoto, mostrando indizi della presenza di materia oscura.

«La significatività statistica di questo risultato non è sufficientemente elevata per affermare di aver rilevato la materia oscura, occorre che gruppi indipendenti effettuino ulteriori verifiche», mette le mani avanti Josu Aurrekoetxea, ricercatore postdoc al Mit e coautore dello studio. «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 classificandole però sistematicamente come avvenute nel vuoto».

«Ora abbiamo la possibilità di scoprire la materia oscura intorno ai buchi neri, dato che i rilevatori Lvk continueranno a raccogliere dati nei prossimi anni», aggiunge il primo autore Soumen Roy, della Uc Louvain, che ha guidato la parte di analisi dei dati del lavoro. «È un momento entusiasmante per la ricerca di nuova fisica utilizzando le onde gravitazionali».

«Sarebbe fantastico utilizzare i buchi neri per cercare la materia oscura», cocnlude il coautore Rodrigo Vicente, dell’Università di Amsterdam, che ha sviluppato il modello analitico del segnale. «Ci consentirebbe di sondare la materia oscura su scale molto più piccole rispetto a quanto fatto finora».

Per saperne di più:

• Leggi su Physical Review Letter l’articolo “Scalar fields around black hole binaries in LIGO-Virgo-KAGRA” di Soumen Roy, Rodrigo Vicente, Josu C. Aurrekoetxea, Katy Clough e Pedro G. Ferreira