Di cosa è fatta la materia oscura? È una delle domande più sconcertanti della moderna astronomia. Sappiamo che la materia oscura è là fuori, poiché possiamo vedere la sua evidente influenza gravitazionale su tutto, dalle galassie all'evoluzione dell'intero universo, ma non sappiamo di cosa si tratta è. La nostra ipotesi migliore è che è una sorta di strana nuova particella a cui non piace parlare molto spesso con la materia normale (altrimenti ormai non l'avremmo vista). Una possibilità è che si tratti di un ipotetico tipo esotico di particelle noto come un assione, e un team di astronomi sta usando nient'altro che i buchi neri per cercare di dare un'occhiata a questo strano nuovo animale cosmico.
Agenda di Axion
Sarò onesto con te, non sappiamo se esistono gli assioni. Sono stati inventati per spiegare un enigma nella fisica delle alte energie. Esiste un certo tipo di simmetria in natura in cui se si prende un'interazione casuale che coinvolge molte particelle subatomiche e si scambiano le cariche elettriche di tutti per il segno opposto, e si esegue anche il processo nello specchio, si ottiene lo stesso esatto risultato. Questo è noto come simmetria di carica e parità, o in breve simmetria CP.
Questa simmetria vale ovunque in natura, tranne quando non lo è, come nel caso della debole forza nucleare, che è in grado di violare questa simmetria ogni volta che ne ha voglia.
L'enigma è che a tutti i costi anche la forza nucleare forte dovrebbe violare questo. Ci sono termini in matematica che ovviamente rompono la simmetria CP, eppure non vediamo alcun segno di simmetria rompere con la forte forza nucleare in nessuno dei nostri esperimenti. Quindi qualcosa deve succedere per ripristinare questa simmetria quando dovrebbe essere rotta.
La risposta - o almeno una potenziale risposta - è un nuovo tipo di particella chiamata assione. L'assione ripristina un certo tipo di equilibrio nella forza (sì, sono a conoscenza del riferimento alle guerre stellari qui) in modo che la simmetria CP sia preservata e che tutti possano andare avanti nella propria vita quotidiana. Naturalmente fino ad oggi gli esperimenti non hanno rivelato direttamente l'esistenza dell'assione, e c'è una gamma di possibili masse e proprietà che l'assione potrebbe avere.
All'interno di quella gamma di possibili masse e proprietà ammissibili dell'assione, si verifica qualcosa di straordinario. Se vogliamo riempire l'universo di materia oscura, quella materia oscura deve avere determinate proprietà. Non può interagire con la materia normale molto spesso e non può nemmeno interagire con se stesso molto spesso. Inoltre, deve essercene molto e deve essere molto stabile e di lunga durata. Si scopre che alcune delle possibili proprietà degli assioni consentono a quell'ipotetica particella di essere candidata per la materia oscura.
The Dark Axions
Se lasciamo che l'assione sia la materia oscura, in genere può spiegare tutte le solite osservazioni della materia oscura. Può spiegare le curve di rotazione all'interno delle galassie. Può spiegare i movimenti delle galassie all'interno degli ammassi di galassie. Può essere prodotto in abbondanza sufficiente nell'universo primordiale per adattarsi alle osservazioni del fondo cosmico a microonde. E così via.
Inoltre, gli assioni nei nuclei delle galassie possono raggrupparsi abbastanza strettamente da formare una singola sfera massiccia che a prima vista arrossirebbe molto simile a un buco nero supermassiccio. Sarebbe piccolo, non interagirebbe con la luce e sarebbe incredibilmente massiccio. Mentre le recenti osservazioni dell'Event Horizon Telescope ci hanno dato un quadro letterale di un gigantesco buco nero in un'altra galassia, non significa necessariamente escludere che questi nuclei di assioni si nascondano ancora nelle profondità delle galassie in tutto l'Universo. Ed è con questi possibili nuclei di assione che potremmo essere in grado di ottenere un controllo sulle loro proprietà.
I buchi neri sono la chiave
A parte l'Event Horizon Telescope, non abbiamo osservazioni dirette di buchi neri supermassicci. Possiamo solo vedere il materiale che vortica e ribolle intorno a loro. E dalle proprietà di quel materiale possiamo stimare la dimensione e la massa dei buchi neri. Con queste tecniche, nel corso dei decenni abbiamo scoperto una relazione molto strana: galassie più massicce ospitano buchi neri più massicci nei loro centri. Questa relazione è in realtà relativamente stretta e ci dice che i buchi neri in qualche modo si sono evoluti insieme alle loro galassie ospiti.
Ma come ho detto, non possiamo osservare direttamente i buchi neri. Quindi potrebbero non essere affatto buchi neri. Potrebbero essere nuclei di assioni nascosti nei centri di quelle galassie. In questo caso, non è che i buchi neri si sono evoluti insieme alle loro galassie ospiti, ma quei nuclei di assioni si sono evoluti insieme alle loro galassie ospiti. Maggiore è la galassia, maggiore è la materia oscura degli assioni che può ospitare e maggiore è il nucleo degli assioni al centro.
Ciò significa che possiamo usare la relazione tra l'oggetto oscuro centrale (sia esso il buco nero o il nucleo di assione) e la galassia stessa per limitare le proprietà degli assioni. Questo funziona perché se inizi a giocare con la massa di particelle di assione, ciò influisce sulla facilità con cui puoi aggregarti per formare un nucleo, che cambierà la relazione con la galassia ospite.
Un team di astronomi ha recentemente impiegato la relazione tra buchi neri e galassie per fare esattamente questo, e sono stati in grado di porre alcuni limiti superiori sulla massa delle particelle di assione, che aiuteranno a guidare gli esperimenti futuri e le ricerche dirette. L'assione è responsabile della materia oscura nell'universo? Spero che un giorno potremo fare luce sulla situazione.
Per saperne di più: "Nucleo Axion - massa alone e relazione buco nero - massa alone: vincoli su alcune scale parsec"
