Una strana increspatura nello spaziotempo potrebbe essere la prima impronta della materia oscura
La materia oscura continua a sfuggire a qualsiasi tentativo di osservazione diretta, eppure qualcosa potrebbe essere appena cambiato. Un gruppo di fisici del MIT e di diverse istituzioni europee ritiene di aver individuato una possibile traccia di materia oscura nascosta dentro un segnale di onde gravitazionali prodotto dalla fusione di due buchi neri. Non è ancora una scoperta confermata, va detto subito. Ma il metodo sviluppato dal team apre una strada che fino a poco tempo fa sembrava impraticabile.
Il punto di partenza è relativamente semplice da capire: quando due buchi neri spiraleggiano uno verso l’altro e si fondono, generano increspature nello spaziotempo che si propagano nell’universo. Se quei buchi neri, prima di collidere, attraversano nubi dense di materia oscura, le onde gravitazionali risultanti potrebbero portare con sé delle distorsioni sottili, una sorta di impronta lasciata dall’interazione con quella sostanza invisibile. I ricercatori hanno costruito un modello capace di prevedere esattamente come dovrebbero apparire queste distorsioni, e poi lo hanno confrontato con dati reali.
Un segnale che non torna: il caso GW190728
Il team ha analizzato i dati pubblici raccolti dalla rete internazionale di osservatori LIGO Virgo KAGRA durante le prime tre campagne osservative. Su 28 eventi di onde gravitazionali particolarmente nitidi, 27 corrispondevano perfettamente a quello che ci si aspetterebbe da buchi neri che si fondono nel vuoto. Uno solo, catalogato come GW190728 e rilevato il 28 luglio 2019, mostrava qualcosa di diverso. Il pattern di quel segnale, secondo l’analisi del gruppo, potrebbe contenere evidenze di un’interazione con materia oscura.
Josu Aurrekoetxea, ricercatore postdoc al Dipartimento di Fisica del MIT, ha spiegato che la materia oscura è ovunque attorno a noi, ma deve essere sufficientemente densa perché se ne possano osservare gli effetti. I buchi neri offrirebbero proprio un meccanismo per amplificare questa densità. Una delle teorie più affascinanti coinvolge particelle estremamente leggere chiamate particelle scalari leggere, che vicino a un buco nero in rapida rotazione potrebbero comportarsi come onde coordinate. L’energia rotazionale del buco nero si trasferirebbe a queste onde, aumentandone drasticamente la densità attraverso un processo noto come superradianza. Se la densità raggiunge livelli sufficienti, la materia oscura potrebbe alterare le onde gravitazionali prodotte durante la collisione.
Uno strumento promettente, non ancora una prova definitiva
Il gruppo di ricerca ha costruito simulazioni dettagliate di fusioni di buchi neri in condizioni molto diverse tra loro, variando masse, dimensioni, quantità di materia oscura circostante e densità della stessa. Hanno poi previsto come le onde gravitazionali apparirebbero se i buchi neri si fondessero all’interno di un ambiente ricco di materia oscura anziché nel vuoto, tenendo conto anche delle alterazioni accumulate durante il viaggio di milioni di anni luce fino ai rilevatori terrestri.
Aurrekoetxea stesso tiene a precisare che la significatività statistica non è ancora sufficiente per dichiarare una scoperta. Ma sottolinea un aspetto cruciale: senza modelli come il loro, potremmo star già rilevando fusioni di buchi neri avvenute in ambienti densi di materia oscura e classificarle erroneamente come eventi accaduti nel vuoto. Questo è forse il contributo più importante dello studio, pubblicato su Physical Review Letters.
Con il crescere dei dati raccolti dagli osservatori gravitazionali nei prossimi anni, questa tecnica potrebbe diventare sempre più potente. Come ha sottolineato il coautore Rodrigo Vicente, dell’Università di Amsterdam, usare i buchi neri per cercare la materia oscura permetterebbe di sondare scale molto più piccole di quanto sia mai stato possibile prima. È una prospettiva che rende questo periodo particolarmente entusiasmante per chi cerca nuova fisica attraverso le onde gravitazionali.
