Teorie esotiche della materia oscura. Se sei un fan di tutte le cose più belle dell'universo, allora questo articolo fa per te.
La maggior parte dei contenuti del nostro universo ha una forma completamente sconosciuta alla fisica. Questo è solo un dato di fatto a cui dovremo abituarci tutti. Se sei tentato di pensare che sia solo una specie dicosmologico problema, un problema che sorge solo su scale molto più grandi, quindi ho cattive notizie per te. Una di queste componenti misteriose del cosmo è - per quanto ne sappiamo - una forma di materia.
Ma non solo qualsiasi forma di materia, altrimenti lo avremmo già visto. No, pensiamo che sia una specie dibuio importa; importa che semplicemente non interagisce con la luce. Nessuna emissione. Nessun assorbimento Nessuna dispersione. Niente. E il fatto che esista materia oscura non dovrebbe esserloquello sorprendente, dovrebbe? Dopotutto, chi ha dettato che tutto nell'universodovere interagire con la luce?
Nessuno l'ha fatto, e quindi eccoci qui. Se guardi una galassia casuale, le cose che si illuminano - stelle, nebulose, ecc. - rappresentano solo una piccola parte della quantità totale di massa in quella galassia. Il rapporto esatto tra materia "normale" e roba oscura dipende da molti fattori, come la storia della formazione della galassia. Ma in generale, più piccola è la galassia, più è dominata dalla materia oscura.
Le più piccole galassie, note come galassie nane, potrebbero fornire un utile laboratorio per studiare la materia oscura. In queste galassie, la materia oscura è libera di fare ciò che la materia oscura fa senza quella fastidiosa materia che interagisce con la luce per complicare davvero le cose. Se la materia oscura fa qualcosa di strano (beh, più strano che semplicemente esistente), come interagire con se stesso tramite la debole forza nucleare, o essere composto da più tipi di particelle esotiche, allora qualsiasi effetto si renderà più pronunciato in una galassia nana di qualcosa di simile la via Lattea.
Tutto questo è ottimo e buono, tranne per il piccolo avvertimento che mentre tutte queste interessanti fisica stanno accadendo sotto il cofano, è difficile per noi vederlo. Perché è buio.
Una delle tante cose che non capiamo sulla materia oscura è come si comporta nei nuclei delle galassie. Semplici simulazioni dell'evoluzione della galassia prevedono qualcosa chiamato "cuspide" - un dado duro di densità incredibilmente alta che si trova nel centro altrimenti cremoso di una galassia. Ma le osservazioni non lo svelano: ci dovrebbero essere molte stelle che seguono l'influenza gravitazionale di tutta quella materia oscura. E ci sono sicuramente molte stelle al centro di una galassia, ma nonquello molti.
Qualcosa deve appianare la materia oscura centrale. Potrebbero essere interazioni esotiche nella stessa materia oscura. Potrebbero essere cause più banali come venti di supernova che fanno esplodere il gas. Potrebbe essere entrambi o nessuno dei due.
Gli astronomi sono molto, molto interessati ai nuclei delle galassie, e in particolare alle galassie nane, perché è lì che possono potenzialmente imparare molto sulla materia oscura. E nonostante la loro fisica complicata e disordinata, abbiamo ancora bisogno di stelle e gas per osservare, sondare e studiare le galassie nane, sperando di poter tracciare il comportamento della materia oscura sottostante. Ma le galassie nane sono lontane, oscure e piccole - e i loro nuclei lo sono ancora di più.
Come potremmo sbirciare dentro di loro?
Per fortuna le galassie hanno cittadini più che stellari. Hanno anche buchi neri. Giganti supermassicci nei loro nuclei e milioni di quelli più piccoli che galleggiano al loro interno. E il fatto che i buchi neri giganti tendano a riunirsi nei nuclei delle loro galassie ospiti potrebbe essere utile. Quindi forse - lavora con me qui - se potessimo in qualche modo studiare il comportamento dei buchi neri all'interno delle galassie nane, potremmo ottenere alcuni indizi sulla natura della materia oscura.
Ma i buchi neri sono anche neri e difficili da vedere. E piccolo. E molto lontano Fortunatamente, non dobbiamo vedere buchi neri: possiamo sentirli.
Quando i buchi neri si scontrano, tremano e distorcono il tessuto dello spaziotempo così tanto da causare onde, come increspature che si diffondono da una pesante pietra caduta nell'acqua. Queste onde di gravità si diffondono nello spazio alla velocità della luce, allungando e schiacciando ogni tanto la materia che si avvicina mentre passano. In effetti, mentre leggi questo, il tuo corpo viene tirato e pressato come un pezzo di stucco dalle innumerevoli onde gravitazionali che attraversano la Terra.
Queste onde di gravità sono follemente difficili da rilevare, motivo per cui le prime persone a misurarle hanno ricevuto alcuni premi Nobel per il loro sforzo decennale di utilizzare fasci di luce interferenti per catturare il segnale sottile.
Ma i nostri tre osservatori di onde gravitazionali sulla superficie della Terra non possono aiutarci con il nostro problema del buco nero all'interno della galassia nana per studiare la materia oscura. Quei buchi neri - noti comebuchi neri a massa intermedia - sono troppo piccoli per emettere un segnale rilevabile qui nella Via Lattea quando si fondono.
Ma un osservatorio delle onde gravitazionali nello spazio potrebbe. La proposta missione LISA (che rappresenta, come si può immaginare, l'antenna spaziale per interferenze laser) potrebbe avere la giusta sensibilità per vedere il segnale di fusione dei buchi neri di medie dimensioni, proprio come quelli trovati nei cuori delle galassie nane.
E secondo un nuovo articolo recentemente accettato dall'Astrophysical Journal Letters guidato da Tomas Tomfal dell'Università di Zurigo, diversi modelli di materia oscura (e le sue possibili interazioni con il normale tipo di materia amante della luce) possono influenzare la frequenza e la velocità i buchi neri nelle galassie nane si fondono, il che è qualcosa che LISA può separare.
È un percorso circolare per comprendere la materia oscura, ma in un problema fastidioso come questo, è promettente.
Per saperne di più: "Formazione di binari LISA Black Hole nelle fusioni di galassie nane: l'impronta della materia oscura"
