Nel febbraio 2016, gli scienziati che hanno lavorato per il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno fatto la storia quando hanno annunciato il primo rilevamento in assoluto delle onde gravitazionali. Da quel momento, sono stati effettuati rilevamenti multipli e collaborazioni scientifiche tra osservatori - come Advanced LIGO e Advanced Virgo - stanno consentendo livelli senza precedenti di sensibilità e condivisione dei dati.
Questo evento non solo ha confermato una previsione secolare fatta dalla teoria della relatività generale di Einstein, ma ha anche portato a una rivoluzione in astronomia. Ha anche alimentato le speranze di alcuni scienziati che credevano che i buchi neri potessero spiegare la "massa mancante" dell'Universo. Sfortunatamente, un nuovo studio condotto da un team di fisici della UC Berkeley ha dimostrato che i buchi neri non sono la fonte a lungo richiesta della materia oscura.
Il loro studio, "Limiti di oggetti compatti di massa stellare come materia oscura da lenti gravitazionali di supernove di tipo Ia", è recentemente apparso nel Lettere di revisione fisica. Lo studio è stato condotto da Miguel Zumalacarregu, Marie Curie Global Fellow presso il Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), con il sostegno di Uros Seljak, professore di cosmologia e condirettore del BCCP.
Per dirla semplicemente, Dark Matter rimane uno dei misteri più sfuggenti e problematici che gli astronomi devono affrontare oggi. Nonostante costituisca l'84,5% della materia nell'Universo, finora tutti i tentativi di scoprirla sono falliti. Sono stati proposti molti candidati, che vanno dalle particelle ultraleggere (assioni) alle particelle voluminose a interazione debole (WIMPS) e agli oggetti Halo massicci compatti (MACHO).
Tuttavia, questi candidati variano in massa di un ordine di 90, che diversi teorici hanno cercato di risolvere proponendo che potrebbero esserci più tipi di materia oscura. Tuttavia, ciò richiederebbe spiegazioni diverse per le loro origini, il che complicherebbe ulteriormente i modelli cosmologici. Come ha spiegato Miguel Zumalacárregui in un recente comunicato stampa di UC Berkeley:
“Posso immaginare che siano due tipi di buchi neri, molto pesanti e molto leggeri, o buchi neri e nuove particelle. Ma in quel caso uno dei componenti è ordini di grandezza più pesanti dell'altro e devono essere prodotti in abbondanza comparabile. Passeremmo da qualcosa di astrofisico a qualcosa di veramente microscopico, forse anche la cosa più leggera dell'universo, e che sarebbe molto difficile da spiegare. "
Per motivi di studio, il team ha condotto un'analisi statistica di 740 delle supernove più brillanti scoperte (a partire dal 2014) al fine di determinare se qualcuno di essi fosse stato ingrandito o illuminato da una presenza di un buco nero interveniente. Questo fenomeno, in cui la forza gravitazionale di un grande oggetto ingigantisce la luce proveniente da oggetti più distanti, è noto come "lente gravitazionale".
Fondamentalmente, se i buchi neri fossero la forma dominante della materia nell'Universo, allora le supernove con ingrandimento gravitazionale si verificherebbero piuttosto frequentemente a causa dei buchi neri primordiali. Si ritiene che queste ipotetiche forme di buco nero si siano formate entro i primi millisecondi dopo il Big Bang in parti dell'Universo in cui la massa era concentrata a decine o centinaia di masse solari, causando la formazione dei primi buchi neri.
La presenza di questa popolazione di buchi neri, così come qualsiasi massiccio oggetto compatto, si piegherebbe gravitazionalmente e amplificerebbe la luce proveniente da oggetti distanti sulla sua strada verso la Terra. Ciò sarebbe particolarmente vero per le supernove di tipo Ia distanti, che gli astronomi hanno usato per decenni come la fonte di luminosità standard per misurare le distanze cosmiche e la velocità con cui l'Universo si sta espandendo.
Tuttavia, dopo aver condotto un'analisi statistica complessa dei dati sulla luminosità e la distanza di 740 supernova - 580 nell'Unione e 740 nei cataloghi dell'analisi congiunta della curva leggera (JLA) - il team ha concluso che otto delle supernova dovrebbero essere più luminose di un pochi decimi di percentuale rispetto a quanto è stato storicamente osservato. Tuttavia, non è stato rilevato un tale schiarimento, anche quando sono stati presi in considerazione i buchi neri a bassa massa.
"Non puoi vedere questo effetto su una supernova, ma quando le metti tutte insieme e fai un'analisi bayesiana completa, inizi a porre forti vincoli sulla materia oscura, perché ogni supernova conta e tu ne hai così tante", ha detto Zumalacárregui.
Dalla loro analisi, hanno concluso che i buchi neri non possono costituire più del 40% circa della materia oscura nell'Universo. Dopo aver incluso 1.048 supernove più luminose dal catalogo del Pantheon (ea maggiori distanze), i vincoli sono diventati ancora più severi. Con questo secondo set di dati, hanno ottenuto un limite superiore persino inferiore - 23% - rispetto alla loro analisi originale.
Questi risultati suggeriscono che nessuna materia oscura dell'Universo è costituita da pesanti buchi neri o oggetti altrettanto massicci come i MACHO. "Siamo tornati alle discussioni standard", ha detto Seljak. “Che cos'è la materia oscura? In effetti, stiamo esaurendo le buone opzioni. Questa è una sfida per le generazioni future. "
Questo studio si basava su ricerche precedenti condotte da Seljak alla fine degli anni '90, quando gli scienziati stavano considerando i MACHO e altri oggetti enormi come una possibile fonte di materia oscura. Tuttavia, lo studio era limitato a causa del fatto che solo un piccolo numero di supernove di tipo Ia distanti era stato scoperto o le loro distanze erano misurate in quel momento.
Inoltre, la ricerca della materia oscura si è spostata poco dopo da grandi oggetti a particelle fondamentali (come i WIMP). Di conseguenza, i piani di follow-up studiati non si sono materializzati. Ma grazie alle osservazioni LIGO delle onde gravitazionali, la possibile connessione tra buchi neri e materia oscura è emersa ancora una volta e ha ispirato Seljak e Zumalacárregui a condurre la loro analisi.
"Ciò che è stato interessante è che le masse dei buchi neri nell'evento LIGO erano proprio dove i buchi neri non erano ancora stati esclusi come materia oscura", ha detto Seljak. “È stata una coincidenza interessante che ha entusiasmato tutti. Ma è stata una coincidenza. "
La teoria della materia oscura fu adottata ufficialmente negli anni '70, durante "l'Età d'oro della relatività", per spiegare le discrepanze tra la massa apparente di oggetti nell'Universo e i loro effetti gravitazionali osservati. Sembra che mezzo secolo dopo, stiamo ancora cercando di rintracciare questa massa misteriosa e invisibile. Ma con ogni studio, vengono posti ulteriori vincoli su Dark Matter e vengono eliminati possibili candidati.
Dato il tempo, potremmo semplicemente sbloccare questo mistero cosmologico ed essere un passo più vicino alla comprensione di come l'Universo si è formato e si è evoluto.
