Nonostante 90 anni di ricerca, la natura e l’influenza della Materia Oscura continuano ad eludere astronomi e cosmologi. Proposta per la prima volta negli anni ’60 per spiegare le curve di rotazione delle galassie, questa massa invisibile non interagisce con la materia normale (eccetto che tramite la gravità) e rappresenta l’85% della massa totale nell’Universo. È anche un componente vitale nel modello cosmologico più accettato dell’Universo, il modello Lambda Cold Dark Matter (LCDM). Tuttavia, secondo ricerche recenti, la ricerca di DM potrebbe finire non appena una stella vicina esploderà in una supernova.
Attualmente, l’axione è considerato il candidato più probabile per la DM, una particella ipotetica di bassa massa proposta negli anni ’70 per risolvere problemi nella teoria quantistica. Sono state condotte anche ricerche considerevoli su come gli astronomi potrebbero rilevare assioni osservando stelle di neutroni e oggetti con campi magnetici potenti. In uno studio recente supportato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, un gruppo di astrofisici dell’Università della California a Berkeley ha sostenuto che gli assioni potrebbero essere scoperti pochi secondi dopo aver rilevato raggi gamma provenienti dall’esplosione di una supernova vicina.
Lo studio è stato condotto da ricercatori presso il Berkeley Center for Theoretical Physics (BCTP) e un membro del Theoretical Physics Group del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). L’articolo che descrive i loro risultati è stato pubblicato il 19 novembre sulla rivista Physical Review Letters. Come sostengono, gli assioni verrebbero prodotti in quantità copiose durante i primi 10 secondi dopo che una stella massiccia subisce il collasso del nucleo e diventa una stella di neutroni. Questi assioni sfuggirebbero quindi e sarebbero trasformati in raggi gamma ad alta energia nel intenso campo magnetico della stella.
Per decenni, la ricerca della Materia Oscura si è concentrata su Oggetti Compatti Aloglia Massivi (MACHOs). Quando non sono emersi risultati, i fisici hanno iniziato a considerare Particelle Massive a Debole Interazione (WIMPs) come il candidato più probabile, ma neanche queste hanno prodotto prove tangibili. Ciò ha portato gli assioni a diventare il candidato più accettato, una particella elementare che rientra nel Modello Standard della Fisica delle Particelle e risolve diverse questioni irrisolte nella Meccanica Quantistica, inclusa una Teoria del Tutto (ToE).
Il candidato più forte per gli assioni è l’assione della cromodinamica quantistica (QCD), che interagisce teoricamente con tutta la materia, anche se in modo debole. Come ha mostrato la ricerca precedente, gli assioni occasionalmente possono trasformarsi in fotoni in presenza di un forte campo magnetico che può essere rilevato. Tuttavia, tali rilevamenti sarebbero molto impegnativi poiché richiederebbero che la supernova fosse vicina (all’interno della Via Lattea o in una delle sue galassie satellite). Inoltre, le supernovae osservabili sono rare, verificandosi una volta ogni pochi decenni.
L’ultima volta che gli astronomi hanno osservato questo fenomeno è stato nel 1987, quando una supernova di Tipo II (SN1987A) è apparsa all’improvviso nella Grande Nube di Magellano (LMC), a circa 168.000 anni luce dalla Terra. All’epoca, la Solar Maximum Mission (SMM) della NASA stava osservando la LMC ma non era sufficientemente sensibile per rilevare l’intensità prevista dei raggi gamma. Benjamin Safdi, un professore associato di fisica della UC Berkeley e co-autore di un articolo, ha spiegato in una dichiarazione recente:
“Se dovessimo osservare una supernova, come la supernova 1987A, con un moderno telescopio gamma, saremmo in grado di rilevare o escludere questo assione QCD, questo assione così interessante, su gran parte dello spazio dei parametri — essenzialmente, tutto lo spazio dei parametri che non può essere sondato in laboratorio, e gran parte dello spazio dei parametri che può essere sondato in laboratorio, anche. E tutto ciò avverrebbe entro 10 secondi.”
Illustrazione del telescopio spaziale gamma Fermi della NASA in azione. Credito: NASA GSFC
Attraverso una serie di simulazioni con supercomputer che hanno usato SN1987A per vincolare assioni di massa più elevata, Safdi e i suoi colleghi hanno determinato che le supernovae di Tipo II producono simultaneamente esplosioni di raggi gamma e neutrini. Hanno ulteriormente notato che i raggi gamma prodotti dipenderebbero dalla massa degli assioni e durerebbero solo 10 secondi dopo la formazione della stella di neutroni. Dopo di ciò, il tasso di produzione diminuirebbe drammaticamente. Ciò significa che un telescopio spaziale gamma deve essere puntato verso la supernova nel momento giusto.
Il Telescopio Spaziale Gamma Fermi è attualmente l’unico osservatorio capace di rilevare sorgenti cosmiche di raggi gamma. Basandosi sul suo campo visivo, gli scienziati stimano che Fermi avrebbe circa una probabilità su dieci di individuare una supernova. A tal fine, il team propone di creare un telescopio gamma di nuova generazione noto come GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). Ha affermato Safdi:
“Questo ci ha realmente portati a considerare le stelle di neutroni come obiettivi ottimali per la ricerca di assioni come laboratori per assioni. Le stelle di neutroni hanno molte caratteristiche a loro favore. Sono oggetti estremamente caldi. Ospitano anche campi magnetici molto forti. I campi magnetici più forti del nostro universo si trovano attorno alle stelle di neutroni, come i magnetari, che hanno campi magnetici decine di miliardi di volte più forti di qualsiasi cosa possiamo costruire in laboratorio. Questo aiuta a convertire questi assioni in segnali osservabili.”
Come notano, una singola rilevazione di raggi gamma determinerebbe la massa di un axione su un’ampia gamma di masse teoriche e consentirebbe esperimenti di laboratorio di riconcentrare i loro sforzi per confermare questa massa. Anche una mancanza di rilevamento significherebbe che gli scienziati potrebbero eliminare un ampio intervallo di masse potenziali per l’assione, il che ridurrebbe significativamente la ricerca della Materia Oscura. Nel frattempo, Safdi e i suoi colleghi sperano che il telescopio Fermi possa avere un colpo di fortuna.
“Il miglior scenario per gli assioni è che Fermi catturi una supernova,” ha aggiunto. “È solo che la probabilità di ciò è piccola. Ma se Fermi lo vedesse, saremmo in grado di misurare la sua massa. Saremmo in grado di misurare la sua intensità di interazione. Saremmo in grado di determinare tutto ciò che dobbiamo sapere sull’assione e siamo incredibilmente fiduciosi nel segnale perché non c’è materia ordinaria che potrebbe generare un evento del genere.”
Ulteriori letture: UC Berkeley News, Physical Review Letters