Le onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo previste da Einstein quasi un secolo fa, sono state rilevate per la prima volta nel 2015. Un nuovo studio condotto da Yanou Cui, professore associato di fisica e astronomia presso l’Università della California, Riverside, riporta che forme molto semplici di materia potrebbero creare sfondi di onde gravitazionali rilevabili subito dopo il Big Bang.
Onde gravitazionali rilevabili
Questo meccanismo di creazione di sfondi di onde gravitazionali rilevabili potrebbe far luce sul misterioso segnale di onde gravitazionali recentemente catturato dagli osservatori di pulsar timing”, ha affermato Cui. “Un’altra interessante implicazione è che la stessa forma di materia potrebbe essere identificata come materia oscura, la misteriosa sostanza che si ritiene costituisca la maggior parte della massa dell’universo e che ha lasciato perplessi gli scienziati per decenni”.
Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, apre la strada alla scoperta di nuova fisica fondamentale utilizzando il più grande laboratorio: l’Universo stesso.
La forma semplice della materia è un tipo di materia di campo scalare ultraleggera. Scalare significa che la materia non ha rotazione interna (spin) e assomiglia al bosone di Higgs. Queste forme di materia sono molto leggere, ciascuna con una massa pari a un milionesimo o addirittura a un miliardesimo della massa di un elettrone. A causa della loro massa molto piccola, si comportano più come onde che come particelle e permeano l’Universo.
Le onde gravitazionali (GW) devono avere un’intensità sufficientemente elevata, analoga alle onde elettromagnetiche , affinché gli esperimenti attuali siano sufficientemente sensibili da catturarle. Inoltre, devono essere nelle bande di frequenza a cui questi esperimenti sono sensibili; finora, solo determinati intervalli di frequenza GW possono essere rilevati a causa di limitazioni tecnologiche.
Le GW vengono generate durante un’era in cui il tasso di espansione dell’universo è intorno alla massa del campo scalare. Si fermerebbe oltre questo punto poiché la produzione di particelle verrebbe interrotta a un certo punto dal meccanismo interno. Quando dico poco dopo il Big Bang, si tratta comunque di una frazione di secondo dopo. Molto dopo il Big Bang, potrebbe esserci produzione di GW da fonti astrofisiche come le fusioni di buchi neri, che il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory ha osservato.
Non interagiscono con la materia nota in modi diversi dall’interazione gravitazionale super-debole. Il segnale GW che abbiamo dimostrato è il modo per rilevarli. Ma se sono materia oscura, li abbiamo conosciuti dalle prove generali della materia oscura. Di nuovo, poiché interagiscono solo con la materia visibile gravitazionalmente, il che è molto debole, non ne sapevamo molto prima.
Questo è uno dei punti salienti. Ma è anche altamente non banale produrre GW rilevabili, e abbiamo scoperto che una semplice forma di materia, forse la materia oscura , può produrre tali GW, un risultato teorico significativo. Inoltre, come detto prima, la sconcertante scoperta del timing delle pulsar dell’anno scorso può essere spiegata da questo meccanismo.
Le onde gravitazionali potrebbero rivelare la natura della materia oscura
Le osservazioni delle onde gravitazionali provenienti dalla fusione dei buchi neri potrebbero rivelare nuove informazioni sulla materia oscura, suggerisce un nuovo studio di un team internazionale guidato dall’UCL.
Lo studio, presentato al National Astronomy Meeting a Cardiff e ora pubblicato sulla rivista Physical Review D, ha utilizzato simulazioni al computer per studiare la produzione di segnali di onde gravitazionali in universi simulati con diversi tipi di materia oscura.
Le loro scoperte dimostrano che contare il numero di eventi di fusione di buchi neri rilevati dalla prossima generazione di osservatori potrebbe dirci se la materia oscura interagisce o meno con altre particelle e quindi aiutarci a capire di cosa è composta.
I cosmologi generalmente considerano la materia oscura come uno dei più grandi tasselli mancanti nella nostra comprensione del cosmo. Nonostante le forti prove che la materia oscura costituisca l’85% di tutta la materia nell’universo , attualmente non c’è consenso sulla sua natura sottostante. Ciò include domande come se le particelle di materia oscura possano scontrarsi con altre particelle come atomi o neutrini, o se le attraversino senza essere influenzate.
Un modo per testarlo è osservare come si formano le galassie in dense nubi di materia oscura chiamate aloni. Se la materia oscura si scontra con i neutrini, la struttura della materia oscura si disperde, con conseguente formazione di meno galassie.
Il problema di questo metodo è che le galassie che scompaiono sono molto piccole e molto distanti da noi, quindi è difficile vedere se ci sono o meno, anche con i migliori telescopi disponibili.
Invece di prendere di mira direttamente le galassie mancanti, gli autori di questo studio propongono di usare le onde gravitazionali come misura indiretta della loro abbondanza. Le loro simulazioni mostrano che nei modelli in cui la materia oscura si scontra con altre particelle, ci sono significativamente meno fusioni di buchi neri nell’universo distante.
Sebbene questo effetto sia troppo piccolo per essere osservato dagli attuali esperimenti sulle onde gravitazionali, sarà un obiettivo primario per la prossima generazione di osservatori attualmente in fase di progettazione.
Gli autori sperano che i loro metodi contribuiscano a stimolare nuove idee sull’utilizzo dei dati delle onde gravitazionali per esplorare la struttura su larga scala dell’universo e gettare nuova luce sulla natura misteriosa della materia oscura.
Il dott. Alex Jenkins (UCL Physics & Astronomy), uno degli autori principali dello studio, ha affermato: “Le onde gravitazionali sono un nuovo potente strumento per osservare l’universo distante. La prossima generazione di osservatori rileverà centinaia di migliaia di fusioni di buchi neri ogni anno, offrendoci informazioni senza precedenti sulla struttura e l’evoluzione del cosmo”.
Il coautore Dr. Sownak Bose della Durham University ha affermato: “La materia oscura rimane uno dei misteri duraturi nella nostra comprensione dell’universo. Ciò significa che è particolarmente importante continuare a identificare nuovi modi per esplorare modelli di materia oscura , combinando sia sonde esistenti che nuove per testare al meglio le previsioni del modello. L’astronomia delle onde gravitazionali offre un percorso per comprendere meglio non solo la materia oscura , ma anche la formazione e l’evoluzione delle galassie in generale”.
Usare le onde gravitazionali per dare la caccia alla materia oscura
Utilizzando simulazioni al computer, un team internazionale di cosmologi ha scoperto che le osservazioni delle onde gravitazionali provenienti dalla fusione dei buchi neri potrebbero svelare la vera natura della materia oscura. La loro scoperta è stata presentata al National Astronomy Meeting dal coautore Dr. Alex Jenkins dell’University College di Londra.
Il team ha utilizzato simulazioni al computer per studiare la produzione di segnali di onde gravitazionali in universi simulati con diversi tipi di materia oscura . Le loro scoperte mostrano che contare il numero di eventi di fusione di buchi neri rilevati dalla prossima generazione di osservatori potrebbe dirci se la materia oscura interagisce o meno con altre particelle, dandoci nuove intuizioni su di cosa è fatta.
I cosmologi generalmente considerano la materia oscura come uno dei più grandi tasselli mancanti nella nostra comprensione del cosmo. Nonostante le forti prove che la materia oscura costituisca l’85% di tutta la materia nell’universo , attualmente non c’è consenso sulla sua natura sottostante. Ciò include domande come se le particelle di materia oscura possano scontrarsi con altre particelle come atomi o neutrini, o se le attraversino senza essere influenzate.
Un modo per testarlo è osservare come si formano le galassie in dense nubi di materia oscura chiamate aloni. Se la materia oscura si scontra con i neutrini, la struttura della materia oscura si disperde, con conseguente formazione di meno galassie. Il problema con questo metodo è che le galassie che scompaiono sono molto piccole e molto distanti da noi, quindi è difficile vedere se ci sono o no, anche con i migliori telescopi disponibili.
Invece di prendere di mira direttamente le galassie mancanti, gli autori di questo studio propongono di usare le onde gravitazionali come misura indiretta della loro abbondanza. Le loro simulazioni mostrano che nei modelli in cui la materia oscura si scontra con altre particelle, ci sono significativamente meno fusioni di buchi neri nell’universo distante. Mentre questo effetto è troppo piccolo per essere visto dagli attuali esperimenti sulle onde gravitazionali, sarà un obiettivo primario per la prossima generazione di osservatori che sono attualmente in fase di progettazione.
Gli autori sperano che i loro metodi contribuiscano a stimolare nuove idee sull’utilizzo dei dati delle onde gravitazionali per esplorare la struttura su larga scala dell’universo e gettare nuova luce sulla natura misteriosa della materia oscura.
Il coautore Dr. Sownak Bose della Durham University ha affermato: “La materia oscura rimane uno dei misteri duraturi nella nostra comprensione dell’universo. Ciò significa che è particolarmente importante continuare a identificare nuovi modi per esplorare modelli di materia oscura, combinando sia sonde esistenti che nuove per testare al meglio le previsioni del modello. L’astronomia delle onde gravitazionali offre un percorso per comprendere meglio non solo la materia oscura, ma anche la formazione e l’evoluzione delle galassie in generale”.
Markus Mosbech dell’Università di Sydney, un altro coautore, aggiunge: “Le onde gravitazionali ci offrono un’opportunità unica di osservare l’ universo primordiale , poiché attraversano l’universo senza ostacoli, e gli interferometri di prossima generazione saranno sufficientemente sensibili da rilevare singoli eventi a grandi distanze”.
Un altro membro del team di ricerca, la professoressa Mairi Sakellariadou del King’s College di Londra, ha affermato: “I dati delle onde gravitazionali di terza generazione offriranno un modo nuovo e indipendente per testare l’attuale modello che descrive l’evoluzione del nostro universo e far luce sulla natura ancora sconosciuta della materia oscura”.
