Non riusciamo ancora a vedere la materia oscura. Ma se potessimo sentirla? / We still can't see dark matter. But what if we can hear it?
Non riusciamo ancora a vedere la materia oscura. Ma se potessimo sentirla? / We still can't see dark matter. But what if we can hear it?
L'illustrazione mostra due buchi neri in collisione, fiancheggiati da materia oscura. / An illustration shows two colliding black holes flanked by dark matter.
La materia oscura, la sostanza più misteriosa e al tempo stesso onnipresente del cosmo, è di fatto invisibile. Questo semplicemente perché non interagisce con la luce. Ma cosa succederebbe se, invece di cercare di vedere la materia oscura, gli scienziati provassero ad ascoltarla?
Una nuova ricerca suggerisce che la materia oscura potrebbe lasciare una traccia minuscola ma distinguibile nella cacofonia di increspature dello spaziotempo chiamate " onde gravitazionali " che si propagano nel cosmo quando due buchi neri si scontrano e si fondono. Tuttavia, ciò è possibile solo se i buchi neri in rotazione possono "mescolare" la materia oscura come burro cosmico.
Fortunatamente, quando si tratta di rilevare le onde gravitazionali provenienti dalla collisione di buchi neri, gli strumenti umani, come LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), stanno diventando sempre più sensibili. E in previsione di un futuro in cui tali tracce potrebbero essere registrate con ancora maggiore facilità nei dati sulle onde gravitazionali, questo gruppo ha sviluppato un metodo che prevede la forma che un'onda gravitazionale dovrebbe assumere quando si propaga attraverso la materia oscura, anziché nello spazio vuoto.
"Utilizzare i buchi neri per cercare la materia oscura sarebbe fantastico", ha dichiarato in un comunicato Rodrigo Vicente, membro del gruppo e ricercatore presso il GRAPPA (Gravitation Astroparticle Physics Amsterdam) . "Saremmo in grado di studiare la materia oscura a scale molto più piccole di quanto sia mai stato possibile prima."
Non posso credere che non sia burro
La materia oscura rappresenta un tale enigma perché, pur essendo invisibile ai nostri occhi, "supera" la materia ordinaria in un rapporto di circa cinque ad uno.
La sua mancanza di interazione con la luce implica che non possa essere composta da protoni, neutroni ed elettroni, le particelle che compongono gli atomi. Questo perché gli atomi costituiscono tutta la "materia ordinaria" che vediamo intorno a noi, dalle stelle e dai pianeti al dispositivo su cui state leggendo questo articolo ed ai nostri stessi corpi. In altre parole, gli atomi interagiscono con la luce (più tecnicamente, con la radiazione elettromagnetica). Infatti, l'unico modo in cui gli astronomi sanno che la materia oscura esiste è attraverso la sua interazione con la gravità ed il modo in cui questa interazione curva lo spaziotempo, influenzando indirettamente la materia ordinaria e la luce
Grazie a queste conoscenze, gli scienziati sono alla ricerca di particelle al di fuori del Modello Standard della fisica delle particelle che possano spiegare la materia oscura. Queste particelle presentano un'ampia gamma di masse e proprietà potenziali, ed una particella ipotetica è lo "scalare leggero", che si ritiene abbia una massa molto inferiore a quella di un elettrone. Una caratteristica dello scalare leggero sarebbe il fatto che la materia oscura, composta da queste particelle, si comporterebbe come onde coordinate attorno ai buchi neri.
Attorno ad un buco nero in rotazione, l'energia rotazionale verrebbe trasferita alla materia oscura scalare leggera, amplificandone la densità, quasi come una frusta che trasforma la panna in burro. Se questo "burro" di materia oscura diventasse sufficientemente denso, potrebbe influenzare le onde gravitazionali generate dalla fusione di buchi neri, lasciando un'impronta inconfondibile.
Dopo aver determinato l'aspetto di questa firma, Vicente e colleghi hanno analizzato i dati raccolti da LIGO e dagli altri rivelatori di onde gravitazionali, KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) e Virgo, concentrandosi su 28 dei segnali più chiari provenienti dalla fusione di buchi neri. Di questi, 27 sembravano provenire da fusioni avvenute nel vuoto relativo dello spazio. Un segnale, tuttavia, GW190728, rilevato per la prima volta il 19 luglio 2019 e risultato della fusione di buchi neri binari con una massa combinata pari a 20 volte quella del Sole e situati a circa 8 miliardi di anni luce di distanza, sembrava recare la traccia inconfondibile di questa fusione avvenuta in una regione di materia oscura densa e "burrosa".
Il gruppo che ha condotto questa ricerca si affretta a precisare che questo non può essere considerato un rilevamento positivo della materia oscura, ma afferma che ci fornisce un indizio su cosa cercare e quindi su dove indirizzare le indagini successive: un aspetto che potrebbe rivelarsi sempre più utile man mano che i rivelatori di materia oscura sulla Terra entreranno nella loro quinta fase operativa con una sensibilità aumentata.
"Sappiamo che la materia oscura ci circonda. Deve solo essere sufficientemente densa perché possiamo osservarne gli effetti", ha affermato il capo del gruppo Josu Aurrekoetxea, del Dipartimento di Fisica del Massachusetts Institute of Technology (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 del gruppo sono stati pubblicati martedì 12 maggio sulla rivista Physical Review Letters.
ENGLISH
Black holes smashing together may churn dark matter "butter," scientists say.
The most mysterious and yet ubiquitous stuff in the cosmos, dark matter is effectively invisible. This is simply because it doesn't interact with light. But what if instead of trying to see dark matter, scientists attempted to hear it instead?
New research suggests dark matter could leave a tiny but discernible imprint in the cacophony of ripples in spacetime called "gravitational waves" that ring through the cosmos when two black holes slam together and merge. However, this is only if spinning black holes can "churn" dark matter like cosmic butter.
Fortunately, when it comes to detecting gravitational waves from colliding black holes, humanity's instruments, such as LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), are getting more and more sensitive all the time. And in preparation for a time when such imprints could become even more easily logged in gravitational wave data, this team developed a method that predicts just what shape a gravitational wave should take when moving through dark matter, rather than empty space.
"Using black holes to look for dark matter would be fantastic," team member Rodrigo Vicente, a researcher at GRAPPA (Gravitation Astroparticle Physics Amsterdam), said in a statement. "We would be able to probe dark matter at scales much smaller than ever before."
I can't believe it's not butter
Dark matter represents such a puzzle because, despite being invisible to us, it still "outweighs" ordinary matter by a ratio of about five to one.
Its lack of interaction with light means it can't be composed of protons, neutrons and electrons — the particles that compose atoms. That's because atoms compose all the "ordinary matter" we see around us, from stars and planets to the device you're reading this article on and our own bodies. In other words, atoms do interact with light (more technically, electromagnetic radiation). In fact, the only way astronomers know dark matter exists is via its interaction with gravity and the way this interaction curves spacetime, indirectly influencing ordinary matter and light.
With this knowledge, scientists have been hunting for particles outside the Standard Model of particle physics that could account for dark matter. These particles have a wide range of potential masses and properties, with one hypothetical particle being the "light scalar" proposed to have a mass much smaller than that of an electron. One characteristic of the light scalar would be the fact that dark matter composed of these particles would act like coordinated waves around black holes.
Around a spinning black hole, rotational energy would be transferred to light scalar dark matter, amplifying its density, almost like a paddle churning cream into butter. If this dark matter "butter" gets dense enough, it could affect gravitational waves from merging black holes, leaving a telltale imprint.
After determining what this signature would look like, Vicente and colleagues searched through data gathered by LIGO and its fellow gravitational wave detectors, KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) and Virgo, focusing on 28 of the clearest signals from merging black holes. Of these, 27 appeared to have come from mergers that occurred in the relative vacuum of space. One signal, however, GW190728, first heard on July 19, 2019, and the result of merging binary black holes with a combined mass of 20 times that of the sun and located an estimated 8 billion light-years away, seemed to carry the telltale trace of this merger occurring in a region of dense, "buttery" dark matter.
The team behind this research is quick to point out that this can't be considered a positive detection of dark matter, but does say it gives us a hint at what to look for and thus where to direct follow-up investigations — something that could be increasingly useful as dark matter detectors on Earth continue into their fifth operating run with boosted sensitivity.
"We know that dark matter is around us. It just has to be dense enough for us to see its effects," said team leader Josu Aurrekoetxea, of the Massachusetts Institute of Technology (MIT) Department of Physics. "Black holes provide a mechanism to enhance this density, which we can now search for by analyzing the gravitational waves emitted when they merge."
The team's results were published on Tuesday (May 12) in the journal Physical Review Letters.
Da:
https://www.space.com/astronomy/dark-universe/we-still-cant-see-dark-matter-but-what-if-we-can-hear-it?utm_term=0D44E3E5-72C8-4F2E-A2B4-93C82DC78FB4&lrh=e4e2966485d78112a6060535462dd7377ffa0f1e6368288dc8552dcea7aac778&utm_campaign=58E4DE65-C57F-4CD3-9A5A-609994E2C5A9&utm_medium=email&utm_content=6ADD0E3D-1CB9-4285-B008-0473A18BBDDC&utm_source=SmartBrief
Commenti
Posta un commento