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

Immaginate di concentrare una quantità immensa di energia in un singolo punto. I destini possibili sembrano essere solo due: o l’energia si disperde nuovamente nello spazio vuoto, oppure la gravità ha la meglio, facendola collassare in un buco nero. Ma cosa succede esattamente sulla linea di confine tra questi due scenari? A dare una risposta matematica a questo interrogativo è ora uno studio puramente teorico, condotto da ricercatori delle università di Vienna e Francoforte, pubblicato su Physical Review Letters il mese scorso.

A sinistra: rappresentazione di un “cristallo spazio-temporale”. A destra: struttura cristallina cubica. Crediti: TU Wien

Fino a oggi, il comportamento della materia su questo confine precario era un mistero quasi impenetrabile. Negli anni ’90, il fisico Matthew Choptuik scoprì che su questa soglia critica è come se lo spaziotempo impazzisse, creando uno stato intermedio altamente instabile. «A volte basta una causa minuscola, apparentemente insignificante, per innescare un cambiamento enorme e drammatico. Prendiamo ad esempio l’acqua liquida a zero gradi Celsius», dice Daniel Grumiller, tra gli autori del nuovo studio. «È sufficiente un cambiamento minimo perché l’acqua si congeli. A quel punto, le molecole d’acqua si dispongono spontaneamente in una struttura regolare e formano un cristallo di ghiaccio».

Il problema è che le equazioni di Einstein in quattro dimensioni sono così complesse che questo “collasso critico” poteva essere studiato solo tramite pesanti simulazioni al computer. Per aggirare l’ostacolo e trovare finalmente una soluzione analitica esatta, con carta e penna, gli autori della nuova ricerca hanno utilizzato una scorciatoia matematica tanto elegante quanto insolita: hanno imposto la condizione di energia alla soglia critica utilizzando un campo scalare privo di massa, calato in uno spaziotempo a infinite dimensioni. La necessità di usare un campo non massivo deriva dal fatto che solo così si evita di introdurre una lunghezza fissa (lunghezza d’onda Compton), preservando l’esattezza matematica della soluzione. Ma perché aggiungere dimensioni?

«Il nostro universo ha quattro dimensioni: tre spaziali e una temporale», spiega Christian Ecker, primo autore dello studio. «Ma in linea di principio, nulla ci impedisce di scrivere equazioni fisiche per un numero maggiore di dimensioni: cinque, quarantadue o persino un numero infinito». L’aver portato le dimensioni a infinito è servito per “arginare” matematicamente le onde gravitazionali. In uno spaziotempo a quattro dimensioni, infatti, le continue oscillazioni del campo tra implosione ed esplosione genererebbero turbolenze che modificherebbero il campo stesso, rendendo il calcolo impossibile.

Il risultato di questo stato critico isolato è una soluzione analitica chiamata autosimilarità discreta: un frattale concentrico che mantiene lo stesso pattern via via che si fa zoom verso il centro del collasso. Questo schema geometrico che si ripete su scale di grandezza sempre più piccole è il motivo per cui ci si riferisce a esso come a un cristallo spaziotemporale.

Illustrazione di una porzione passata dello spaziotempo di Choptuik con autosimilarità discreta. Man mano che ci si avvicina alla parte superiore, lo scalare di Ricci (R) oscilla sempre più rapidamente fino al raggiungimento della singolarità. Si nota come il pattern si ripeta fino alla singolarità. Fonte: Christian Ecker et al., Prl, 2026

«Questo cristallo è un oggetto davvero singolare e affascinante», riprende Grumiller. «Si tratta di una sorta di stato intermedio, un punto instabile che può evolversi in due direzioni diverse. Potrebbe dissolversi di nuovo, lasciando uno spaziotempo ordinario. Ma se viene aggiunta una minuscola quantità di energia, l’evoluzione prende una piega completamente diversa: l’insignificante cristallo spaziotemporale si trasforma in un buco nero».

Siccome il pattern si ripete a scale via via più microscopiche prima che l’equilibrio si rompa, queste soluzioni dimostrano la possibilità teorica di generare buchi neri di dimensioni infinitesime.

Ovviamente le ipotesi di partenza sono delle astrazioni matematiche, ma il risultato fornisce uno strumento formidabile per sondare i limiti della relatività generale e capire come la gravità si comporti in condizioni estreme. Inoltre, questa dinamica teorica potrebbe offrire nuovi indizi sulla formazione dei buchi neri primordiali, nati dal caos dell’universo neonato.

«La nostra tecnica si è rivelata straordinariamente stabile. A seconda della precisione desiderata, possiamo migliorare sistematicamente le nostre formule ricorrendo a ulteriori metodi di approssimazione», conclude Florian Ecker. «Questo ci offre un nuovo metodo per studiare fenomeni legati ai buchi neri che in precedenza non potevano essere analizzati analiticamente».

Per saperne di più:

• Leggi su Physical Review Letter l’articolo “Analytic Discrete Self-Similar Solutions of Einstein-Klein-Gordon at Large D ” Christian Ecker, Florian Ecker e Daniel Grumiller