La materia oscura è più preziosa dell’oro: le galassie instabili aiutano a far luce sulla sostanza più strana dell’universo
Un’illustrazione mostra una pulsar all’interno di una nube di materia oscura. La materia oscura, ampiamente conosciuta come la sostanza più misteriosa dell’universo, è più rara sulla Terra dell’oro, nonostante il fatto che la materia oscura superi la “materia ordinaria” con un rapporto sorprendente di cinque a uno. La scoperta è stata fatta grazie a scienziati che propongono un modo innovativo per mappare la materia oscura utilizzando l’”oscillazione” della Via Lattea. Questa oscillazione è dovuta all’influenza delle galassie satelliti della Via Lattea, come la Grande Nube di Magellano (LMC), e delle stelle di neutroni in rapida rotazione, o “pulsar”. Affascinante, le pulsar agiscono come “fari cosmici” nel cosmo, spazzando fasci di luce attraverso vaste distanze. Il lavoro precedente del team ha infatti utilizzato queste stelle estreme, quando orbitate da compagni stellari in sistemi chiamati “pulsar binarie”, come sonde di materia oscura. La nuova ricerca degli scienziati, tuttavia, suggerisce ulteriormente che anche le pulsar solitarie potrebbero essere utilizzate in tale indagine.
“Quando abbiamo iniziato questo lavoro nel 2021 e abbiamo pubblicato il seguito l’anno scorso, il nostro campione era composto da coppie di pulsar millisecondo – pulsar binarie millisecondo,” ha detto Sukanya Chakrabarti dell’Università dell’Alabama a Huntsville (UAH) in una dichiarazione. “Tuttavia, la maggior parte delle pulsar non sono in coppia. La maggior parte di esse sono solitarie. In questo nuovo lavoro, mostriamo come raddoppiare efficacemente il numero di pulsar che possiamo utilizzare per vincolare la materia oscura nella galassia utilizzando rigorosamente pulsar solitarie per misurare le accelerazioni galattiche.”
Per “vincolare la materia oscura,” Chakrabarti intende limitare le possibili proprietà e caratteristiche della materia oscura. Man mano che vengono raccolti più dati sulle stelle di neutroni, la misurazione dell’accelerazione gravitazionale delle pulsar binarie e delle loro controparti singole potrebbe far luce sul campo gravitazionale della Via Lattea e, quindi, sulla forma e distribuzione della materia oscura nella nostra galassia.
“Poiché è un campione più grande, ora abbiamo una svolta,” ha detto Chakrabarti. “Siamo in grado di misurare la densità locale della materia oscura utilizzando misurazioni dirette dell’accelerazione per la prima volta.” Il team ha scoperto che c’è meno di 2,2 libbre (1 chilogrammo) di materia oscura in un volume equivalente a quello dell’intera Terra. “Se confronti questo con milioni di chilogrammi di oro prodotti ogni anno, puoi vedere che, libbra per libbra, la materia oscura è più preziosa dell’oro!” ha detto Chakrabarti.
Colla di materia oscura e galassie instabili
La materia oscura, che costituisce circa l’85% della materia totale nell’universo, è stata una sorta di fenomeno problematico per gli scienziati perché non interagisce con la luce, o, se lo fa, quell’interazione è troppo debole per essere rilevata con la tecnologia attuale. Questo dice ai ricercatori che la materia oscura non può essere fatta di atomi come la materia quotidiana, perché le particelle che compongono gli atomi – elettroni, protoni e neutroni – interagiscono con la luce. L’unico modo in cui possiamo sapere se la materia oscura esiste è tramite la sua interazione con la gravità e l’influenza che questa interazione ha sulla luce e sulla materia quotidiana. In effetti, questa influenza è cruciale. Se le galassie non fossero piene di materia oscura invisibile, l’influenza gravitazionale della loro “materia quotidiana” – stelle, pianeti, nubi di polvere e così via – non sarebbe sufficiente a impedire loro di volare via mentre ruotano.
Si pensa che il contenuto di materia oscura galattica sia fortemente concentrato nei centri delle galassie, ma si crede che la sostanza si estenda anche a formare un guscio sferico che si estende ben oltre i limiti della materia visibile di una galassia. Questo spiega come la materia oscura possa essere meno comune in una sfera media delle dimensioni della Terra rispetto all’oro qui sul nostro pianeta, ma ancora superare di gran lunga gli atomi di tutti i tipi. Lo spazio è vasto, e la materia oscura è molto più diffusa nell’universo rispetto all’oro o ad altri elementi.
Un’impressione artistica dell’alone di materia oscura (blu) che si crede circondi la galassia della Via Lattea. Chakrabarti ha spiegato che nel suo lavoro precedente, ha utilizzato simulazioni al computer per mostrare che, mentre la Via Lattea interagisce con le sue galassie satelliti, le stelle nella nostra galassia sentono una trazione gravitazionale molto diversa a seconda che le stelle si trovino sopra o sotto quello che è noto come il “disco galattico.” La LMC è una delle galassie nane satelliti più grandi della Via Lattea, per esempio. Mentre orbita attorno alla nostra galassia e passa vicino alla Via Lattea, può attirare parte della massa nel disco galattico della Via Lattea verso di sé, portando a una galassia sbilanciata con più massa su un lato. Di conseguenza, Chakrabarti ha detto che la gravità si sente più fortemente su un lato della Via Lattea. “È quasi come se la galassia stesse oscillando, un po’ come cammina un bambino piccolo, non ancora completamente equilibrato,” ha continuato. “Quindi questa asimmetria o effetto sproporzionato nelle accelerazioni delle pulsar che deriva dalla trazione della LMC è qualcosa che ci aspettavamo di vedere. Qui, con il campione più grande di accelerazioni delle pulsar, siamo effettivamente in grado di misurare questo effetto per la prima volta.”
Fari cosmici
Le pulsar, come tutte le stelle di neutroni, nascono quando stelle almeno otto volte più massicce del sole esauriscono la loro riserva di carburante necessaria per la fusione nucleare e non possono più sostenersi contro la spinta interna della propria gravità. Mentre i nuclei di queste stelle si schiacciano, gli strati esterni delle stelle, e la maggior parte delle loro masse, vengono spazzati via in tremende supernove a collasso del nucleo. Questo lascia un residuo stellare con una massa compresa tra una e due volte quella del sole condensata in una larghezza di circa 12 miglia (20 chilometri). Questo significa che le stelle di neutroni sono composte dalla materia più densa dell’universo conosciuto. Se un cucchiaino di materia di neutroni fosse raccolto e portato sulla Terra, per contesto, peserebbe 10 milioni di tonnellate. Questo è equivalente a impilare 85.000 balene blu su un cucchiaino.
Il rapido ridimensionamento dei nuclei delle stelle massicce ha un’altra conseguenza: accelera la stella di neutroni a velocità di rotazione che possono raggiungere i 700 giri al secondo. Pensate a questo come all’equivalente cosmico di un pattinatore su ghiaccio che tira dentro le braccia per aumentare la velocità di rotazione. Fortunatamente per gli scienziati, questa rapida rotazione e la sua frequenza precisa rendono le pulsar eccellenti meccanismi di temporizzazione. Le pulsar e altre giovani stelle di neutroni sono anche notevoli per possedere alcuni dei campi magnetici più forti dell’universo conosciuto.
“Il campo magnetico incredibilmente forte delle pulsar si attorciglia e si avvolge su se stesso mentre la pulsar ruota, il che porta a una sorta di attrito, come strofinare le mani insieme,” ha detto il membro del team e associato post-dottorato della UAH Tom Donlon nella dichiarazione. “Le pulsar emettono anche particelle a velocità molto elevate, che irradiano energia. Questi effetti [noti come frenata magnetica] portano la pulsar a ruotare più lentamente col passare del tempo.” Il campo magnetico di una pulsar cattura le particelle espulse e poi le lancia via mentre la stella di neutroni ruota. Queste particelle, disperdendosi come “vento stellare,” portano via anche il momento angolare, rallentando la rotazione della pulsar, o facendola rallentare. Il processo di rallentamento è fondamentale nella ricerca del team.
“A causa di questo rallentamento, inizialmente siamo stati costretti a utilizzare solo pulsar in sistemi binari per calcolare le accelerazioni perché le orbite non sono influenzate dalla frenata magnetica,” ha detto Donlon. “Con la nostra nuova tecnica, siamo in grado di stimare la quantità di frenata magnetica con alta precisione, il che ci permette di utilizzare anche pulsar individuali per ottenere accelerazioni.” Utilizzando questa tecnica e i dati in eccesso che fornisce, i ricercatori dovrebbero essere in grado di determinare meglio come la materia oscura è distribuita nella nostra galassia man mano che vengono raccolti più dati.
“In sostanza, queste nuove tecniche ora consentono misurazioni di accelerazioni molto piccole che derivano dalla trazione della materia oscura nella galassia,” ha detto Chakrabarti. “Nella comunità astronomica, siamo stati in grado di misurare le grandi accelerazioni prodotte dai buchi neri attorno a stelle visibili e stelle vicino al centro galattico da un po’ di tempo. Ora possiamo andare oltre la misurazione delle grandi accelerazioni per misurare accelerazioni minuscole a livello di circa 10 centimetri al secondo ogni decennio, 10 centimetri al secondo è la velocità di un bambino che gattona.”
La ricerca del team è disponibile come pre-stampa peer-reviewed sul sito di repository di articoli arXiv.