Un’illustrazione di una massiccia nube di materia oscura all’interno della quale gli assioni si accendono, rilasciando luce infrarossa. Mentre la caccia alla materia oscura, la “sostanza” più comune e misteriosa dell’universo, continua, gli scienziati sono comprensibilmente ansiosi di coinvolgere il telescopio spaziale più potente nell’azione. Space.com ha parlato con tre scienziati, detective cosmici che sono sulle tracce dei candidati alla materia oscura utilizzando il James Webb Space Telescope (JWST). La domanda è come, anche con il suo occhio infrarosso incredibilmente sensibile, il JWST potrebbe cercare qualcosa che è esso stesso effettivamente invisibile in tutte le lunghezze d’onda della luce. Se la materia oscura è composta da particelle ipotetiche chiamate assioni, allora c’è una possibilità che queste particelle possano “decadere”, scomponendosi in altre particelle. Questo processo potrebbe rilasciare fotoni, le particelle che compongono la luce, che il JWST potrebbe quindi rilevare.
Una scoperta di questa luce sarebbe rivoluzionaria — veramente la scoperta del secolo, ha detto la fisica teorica delle particelle astrofisiche Elena Pinetti a Space.com. Trovare la materia oscura sbloccherebbe un capitolo completamente nuovo nella nostra comprensione dell’universo. È un po’ come un lavoro da detective cosmico, aiutandoci a setacciare il rumore dell’universo per individuare qualcosa di veramente straordinario.
Il problema con la materia oscura è che è il nome dato dagli scienziati alla sostanza misteriosa che rappresenta circa l’85% del contenuto totale di materia dell’universo. Ciò significa che tutto ciò che vediamo intorno a noi quotidianamente, dalle stelle più massicce ai batteri più piccoli e oltre, rappresenta solo il 15% della “sostanza” nel cosmo. Eppure, nonostante la sua ubiquità, la materia oscura è frustrantemente elusiva, perché qualunque cosa la componga non interagisce con la luce o la “materia ordinaria”. O, se lo fa, interagisce così debolmente e raramente che è effettivamente invisibile. Fino ad ora, l’unico modo in cui gli astronomi sono stati in grado di inferire la presenza della materia oscura è attraverso la sua interazione con la gravità e il modo in cui influenza la luce e la materia “quotidiana” visibile.
Il fatto che la materia oscura sembri interagire con la luce molto debolmente, se non del tutto, significa che non può essere composta dalle particelle che compongono gli atomi — elettroni, protoni e neutroni. Questo perché quelle particelle, che servono come mattoni di tutto ciò che vediamo intorno a noi, interagiscono fortemente con la luce. Questo ha portato gli scienziati a cercare potenziali particelle di materia oscura oltre il Modello Standard della Fisica delle Particelle, il quadro che attualmente spiega tutto ciò che sappiamo sulle particelle e le forze. Attualmente, il principale sospetto per le particelle di materia oscura sono gli assioni, che sono rimasti frustrantemente ipotetici.
Gli assioni sono particelle instabili, il che significa che possono trasformarsi spontaneamente, o decadere, in altre particelle. Questo è molto simile ai neutroni, che decadono in protoni in circa 15 minuti a meno che non siano legati all’interno di un nucleo di un atomo, ha detto Christopher Dessert, Flatiron Research Fellow presso il Center for Computational Astrophysics, a Space.com. Gli assioni decadranno in due fotoni (le particelle che compongono la luce), e ciascuno di quei fotoni ha un’energia pari alla metà della massa dell’assione attraverso la relazione materia/energia di Einstein E=mc², ha aggiunto Dessert. Ha spiegato che se la massa dell’assione è di circa 1 elettronvolt (eV)/c² (dove “c” è la velocità della luce), allora quei fotoni emessi sono nella gamma di lunghezze d’onda infrarosse, e il JWST potrebbe vederli.
Se è così semplice, ci si potrebbe chiedere perché altri telescopi a infrarossi non sono riusciti a rilevare il decadimento degli assioni. C’è un altro intoppo, purtroppo. Anche se gli assioni decadono, se costituiscono la materia oscura, allora la loro vita deve essere molto più lunga dell’età dell’universo perché sappiamo che la materia oscura era presente nelle prime fasi dell’universo, e sappiamo che è ancora presente oggi, ha detto Dessert. Quindi stiamo cercando un processo molto raro. Ma se gli assioni costituiscono la materia oscura, allora ci sono circa 10^77 (cioè 10 seguito da 76 zeri) assioni nella Via Lattea, quindi il processo molto raro accade comunque abbastanza spesso!
Elisa Todarello, astrofisica teorica dell’Università di Nottingham in Inghilterra, ha spiegato perché il JWST è lo strumento giusto per cercare la luce dal decadimento degli assioni. Il JWST può vedere oggetti estremamente deboli e può distinguere diverse frequenze di luce infrarossa molto accuratamente perché ha una risoluzione spettrale molto alta, ha detto Todarello. Queste sono caratteristiche desiderabili per uno strumento per rilevare la radiazione elettromagnetica prodotta dal decadimento di una particella di materia oscura.
Todarello ha ulteriormente spiegato che, se il decadimento degli assioni è concentrato a una frequenza specifica, pari a circa la metà della massa dell’assione, creerebbe una “linea spettrale” stretta che permette di differenziarla dalla luce proveniente da sorgenti che emettono uno spettro liscio su un’ampia gamma di frequenze. Sarebbe più difficile differenziarla dalle linee spettrali di un’altra origine — per esempio, transizioni atomiche, ha detto Todarello. Se la massa dell’assione è tale che la linea spettrale dovuta al decadimento degli assioni coincide con quella di una transizione atomica, sarebbe molto difficile districare le due.
La forma della linea spettrale creata dal decadimento degli assioni potrebbe fornire agli scienziati informazioni importanti sulla distribuzione della materia oscura nella nostra galassia, secondo Todarello. Poiché abbiamo una buona idea di come la materia oscura è distribuita nella Via Lattea, possiamo prevedere quanto dovrebbe apparire in diverse parti del cielo, ha aggiunto Pinetti. Le emissioni astrofisiche — segnali da stelle, gas o altri oggetti cosmici — variano a seconda di dove guardiamo. Confrontando le osservazioni di diverse regioni, possiamo cercare di distinguere tra il rumore cosmico ordinario e un potenziale segnale di materia oscura.
Questo copre come questi detective della materia oscura intendono cercare segnali di materia oscura e cosa intendono cercare. Con l’ubiquità di questa sostanza misteriosa, la domanda rimanente è dove guardare, per avere la migliore possibilità possibile di una rilevazione della materia oscura. Dessert e Pinetti esplorano diversi possibili “scenari del crimine della materia oscura” nelle loro rispettive ricerche. Inizialmente non eravamo sicuri di quale tipo di obiettivi sarebbero stati sonde più sensibili per i decadimenti degli assioni. Nel nostro lavoro, abbiamo previsto sia la sensibilità agli assioni che decadono nell’alone di materia oscura della Via Lattea sia quelli in sub-aloni più piccoli intorno alle galassie nane, ha detto Dessert. Abbiamo scoperto che gli assioni della Via Lattea sono più sensibili perché il JWST raccoglierà più dati guardando quelli, ma questo non era ovvio a priori. Stiamo anche cercando di ottenere dati sul JWST che guarda agli assioni che decadono all’interno di una galassia nana, che potrebbe fornire un ulteriore controllo incrociato su quei risultati.
Pinetti ha spiegato che, nella sua ricerca, il team ha cercato un segnale di materia oscura nei cosiddetti “campi di cielo vuoto”. I campi di cielo vuoto sono osservazioni fuori bersaglio che gli astronomi usano per rimuovere il rumore di fondo dai loro dati. Per gli astronomi che utilizzano il JWST, queste osservazioni di cielo vuoto non sono particolarmente interessanti, ha detto Pinetti. Ma qui, abbiamo trovato un uso completamente diverso per queste osservazioni di cielo vuoto — la mancanza di sorgenti astronomiche luminose in esse le rende particolarmente utili per le ricerche di materia oscura.
Pinetti ha aggiunto che questo approccio è particolarmente eccitante perché ogni osservazione del JWST, indipendentemente dall’obiettivo, richiede che questi campi di cielo vuoto siano prodotti come parte del suo programma di osservazione. Quindi il nostro set di dati continuerà a crescere finché il JWST opererà, permettendoci di sondare sempre più a fondo nel settore oscuro, ha detto Pinetti. E tutto questo viene gratuitamente poiché possiamo utilizzare quasi qualsiasi tipo di osservazione del JWST!
Se il JWST non dovesse rilevare un segnale dal decadimento degli assioni, questo non eliminerebbe completamente queste particelle ipotetiche come sospetti di materia oscura. Questo perché l’indagine del JWST si concentra sul decadimento di particelle con masse comprese tra 0,1 eV e 4 eV. Il fallimento nel fare una rilevazione potrebbe significare che le particelle che compongono la materia oscura sono al di fuori di questo intervallo di massa. È sempre bene indagare molte possibilità diverse, ma una non rilevazione della materia oscura degli assioni da parte del JWST non significherebbe che tale candidato alla materia oscura è ora sfavorito, ha detto Todarello. Significherebbe semplicemente che la massa dell’assione è in un intervallo diverso, o che la costante di accoppiamento ai fotoni è più piccola di quanto il JWST possa rilevare.
Per Pinetti, questo tipo di indagine alimenta la sua passione per la scienza. La fisica delle particelle astrofisiche e la scienza spaziale non smettono mai di stupirmi — c’è sempre qualcosa di nuovo e inaspettato! ha concluso Pinetti. In effetti, ci sono alcuni segnali misteriosi e suggestivi nei dati del JWST, e non siamo ancora sicuri da dove provengano. Vale sicuramente la pena scavare più a fondo — ogni mistero ci avvicina di un passo alla comprensione del cosmo. Questa scoperta trasformerebbe completamente ciò che sappiamo sul cosmo e potrebbe rivelare misteri che non abbiamo nemmeno immaginato.
L’ultima ricerca di Pinetti e Dessert sulla materia oscura con il JWST è stata pubblicata il 18 febbraio su Physical Review Letters.