Introduzione

Un astrofisico del CU Boulder sta cercando la luce proveniente da un oggetto celeste lontano ed estremamente potente, alla ricerca di quella che può essere la sostanza più inafferrabile dell’universo: la materia oscura.

In due recenti studi, Jeremy Darling, professore del Dipartimento di Scienze Astrofisiche e Planetarie, ha analizzato a fondo PSR J1745-2900. Questo corpo è una magnetear, un tipo di stella collassata che genera un campo magnetico incredibilmente forte. “È il miglior rivelatore naturale di materia oscura che conosciamo“, ha detto Darling.

La colla cosmica

Il professore ha spiegato che la materia oscura è una sorta di colla cosmica – una particella non ancora identificata – che costituisce circa il 27% della massa dell’universo e aiuta a legare insieme galassie come la nostra Via Lattea. Fino ad oggi, gli scienziati hanno per lo più condotto la caccia a questa materia invisibile utilizzando attrezzature di laboratorio.

Darling ha adottato un approccio diverso nelle sue ultime ricerche: attingendo ai dati del telescopio, sta scrutando PSR J1745-2900 per vedere se è in grado di rilevare i deboli segnali di un candidato per la materia oscur, una particella chiamata assione. Finora, la ricerca dello scienziato non ha portato a nulla. Ma i suoi risultati potrebbero aiutare i fisici che lavorano nei laboratori di tutto il mondo a restringere la loro caccia a questa particella.

I nuovi studi sono anche un promemoria del fatto che i ricercatori possono ancora guardare al cielo per risolvere alcune delle questioni più difficili della scienza, ha detto Darling. Ha pubblicato la sua prima serie di risultati questo mese su The Astrophysical Journal Letters e Physical Review Letters.

In astrofisica, troviamo tutti questi problemi interessanti come la materia oscura e l’energia oscura, poi facciamo un passo indietro e lasciamo che siano i fisici a risolverli“, ha detto. “È un peccato“.

Esperimento naturale

Darling vuole cambiare la situazione, in questo caso, con un piccolo aiuto da parte di PSR J1745-2900.

Crediti: NASA / CXC / FIT / E; Foto CC di CGP Gray tramite 
Wikimedia Commons

Questa magnetear orbita intorno al buco nero supermassiccio al centro della galassia della Via Lattea da una distanza inferiore a un anno luce. Ed è una forza della natura: PSR J1745-2900 genera un campo magnetico che è circa un miliardo di volte più potente del più potente magnete della Terra.

“Le magnetear hanno tutto il campo magnetico di una stella, ma il tutto è ridotto in un’area di circa 20 chilometri“, ha detto Darling.

Ed è lì che Darling è andato a pescare la materia oscura.

Ha spiegato che gli scienziati non hanno ancora individuato un singolo assione, una particella teorica proposta per la prima volta negli anni Settanta. I fisici, tuttavia, prevedono che queste effimere particelle di materia possano essere state create in numeri monumentali durante la prima vita dell’universo – e in quantità abbastanza grandi da spiegare la massa extra del cosmo. Secondo la sua teoria, gli assioni sono miliardi o addirittura trilioni di volte più leggere degli elettroni e interagirebbero solo raramente con l’ambiente circostante.

Questo li rende quasi impossibili da osservare, con una sola grande eccezione: se un’assione passa attraverso un forte campo magnetico, può trasformarsi in luce che i ricercatori potrebbero, teoricamente, rilevare.

Gli scienziati, tra cui un team della JILA nel campus del CU Boulder, hanno utilizzato campi magnetici generati in laboratorio per cercare di catturare quella transizione in azione. Darling e altri scienziati hanno avuto un’idea diversa: Perché non provare la stessa ricerca, ma su una scala molto più ampia?

Le magnetar sono gli oggetti più magnetici che conosciamo nell’universo“, ha detto. “Non c’è modo di avvicinarsi a quella forza in un laboratorio“.

Restringendo la ricerca

Crediti: NASA / CXC / FIT / E; Foto CC di CGP Gray tramite 
Wikimedia Commons

Per utilizzare quel campo magnetico naturale, Darling ha attinto alle osservazioni di PSR J1745-2900 prese dal Karl G. Jansky Very Large Array, un osservatorio del New Mexico. Se la magnetear stava, in effetti, trasformando gli assioni in luce, quella metamorfosi potrebbero apparire nella radiazione che emerge dalla stella collassata.

Lo sforzo è un po’ come cercare un singolo ago in un pagliaio molto, molto grande. Darling ha detto che, mentre i teorici hanno posto dei limiti a quanto possano essere pesanti gli assioni, queste particelle potrebbero comunque avere una vasta gamma di masse possibili. Ognuna di queste masse, a sua volta, produrrebbe luce con una specifica lunghezza d’onda, quasi come un’impronta digitale lasciata dalla materia oscura.

Darling non ha ancora individuato nessuna di queste distinte lunghezze d’onda nella luce proveniente dalla magnetear, ma è stato in grado di usare le osservazioni per sondare la possibile esistenza di assioni attraverso la più ampia gamma di masse ancora esistenti, non male per il suo primo tentativo. Ha aggiunto che tali indagini possono integrare il lavoro svolto negli esperimenti terrestri.

Konrad Lehnert è d’accordo. Fa parte di un esperimento condotto dall’Università di Yale chiamato, non a caso, HAYSTAC – che sta cercando gli assioni usando i campi magnetici creati nei laboratori di tutto il paese.

Lehnert ha spiegato che gli studi astrofisici come quello di Darling potrebbero agire come una sorta di esploratore a caccia di segnali interessanti alla luce delle magnetar, sui quali i ricercatori di laboratorio potrebbero poi scavare con molta più precisione.

Questi esperimenti ben controllati sarebbero in grado di individuare quali dei segnali astrofisici potrebbero avere un’origine dalla materia oscura“, ha detto Lehnert, un collega del JILA, un istituto di ricerca congiunto tra il CU Boulder e il National Institute of Standards and Technology (NIST).

Darling ha in programma di continuare la sua ricerca, il che significa guardare ancora più da vicino la magnetear al centro della nostra galassia: “Dobbiamo colmare queste lacune e andare ancora più in profondità“.

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