Gli astrofisici fissano i vincoli sulla materia oscura compatta dal microlensing delle onde gravitazionali


L’esistenza della materia oscura rimane uno dei più grandi misteri dell’universo. Mentre gli studi hanno indirettamente accennato alla sua esistenza, la sua natura invisibile rende questa sostanza sfuggente molto difficile da rilevare, quindi la sua composizione rimane sconosciuta.

La materia oscura potrebbe essere fatta di particelle fondamentali ed esotiche ancora da scoprire. In alternativa, potrebbe consistere in molti oggetti massicci e compatti, come i buchi neri primordiali (cioè i buchi neri formatisi nel primo universo).

Negli ultimi decenni, molti team di scienziati di tutto il mondo hanno cercato la materia oscura, utilizzando una moltitudine di tecniche, telescopi, rivelatori e dati osservativi. Mentre la maggior parte di queste ricerche non hanno avuto successo, hanno contribuito a guidare e restringere le ricerche successive.

I ricercatori del Tata Institute of Fundamental Research’s International Centre for Theoretical Studies di Bangalore, India, hanno recentemente stabilito nuovi vincoli sulla frazione di materia oscura compatta dal microlensing delle onde gravitazionali. Il loro documento, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, introduce un nuovo modo di sondare la natura della materia oscura cercando effetti di microlensing nelle onde gravitazionali.

Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, gli oggetti massicci piegano la luce come fanno le normali lenti ottiche“, ha detto Parameswaran Ajith, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. “Gli oggetti massicci, come i buchi neri che si trovano tra la fonte astronomica e l’osservatore, possono ingrandire la fonte. Questo fenomeno, chiamato microlensing gravitazionale, è emerso essere un potente strumento per gli astronomi“.

Nonostante gli estesi sforzi di ricerca nel campo, gli astronomi non sono stati finora in grado di osservare gli effetti di microlensing prodotti dai buchi neri. Questo suggerisce che i buchi neri che sono molto più leggeri del sole, che produrrebbero il microlensing della luce, sono rari.

Anche se questi buchi neri esistono, è probabile che costituiscano solo una frazione molto piccola della materia oscura”, ha detto Ajith. “La teoria prevede che anche le onde gravitazionali saranno sottoposte a lenti nello stesso modo. Se i buchi neri primordiali che sono molto più massicci del sole sono abbondanti nell’universo, essi distorceranno le onde gravitazionali”.

Limiti superiori sulla frazione di materia oscura sotto forma di oggetti compatti ottenuti da questo studio. La massa del buco nero è indicata sull’asse orizzontale. Tre diverse regioni di esclusione corrispondono a tre modelli presunti della distribuzione dei buchi neri binari nell’universo. Le linee tratteggiate mostrano alcuni dei vincoli esistenti dal microlensing delle supernovae (SN) e dalla stabilità delle binarie larghe (WB).

Nel 2003, alcuni fisici teorici hanno calcolato con precisione la natura delle distorsioni delle onde gravitazionali. Quasi due decenni dopo, Sunghoon Jung e Chang Sub Shin, due scienziati della Seoul National University e dell’IBS Center for Theoretical Physics of the Universe hanno suggerito che la mancata osservazione di queste distorsioni da parte delle collaborazioni LIGO e Virgo potrebbe aiutare a limitare l’abbondanza di buchi neri che sono significativamente più massicci del sole.

Il recente documento di Ajith e dei suoi colleghi si ispira a questi lavori precedenti. Il lavoro del team si basa sull’ipotesi che se una frazione significativa della materia oscura fosse effettivamente composta da oggetti compatti, questi oggetti causerebbero effetti di microlensing nei segnali di onde gravitazionali rilevati periodicamente dai rivelatori LIGO e Virgo.

Già nel 2018, in collaborazione con i colleghi della LIGO-Virgo Collaboration, avevamo cercato le firme di tali distorsioni nei segnali di onde gravitazionali osservati da LIGO e Virgo e non ne avevamo trovate“, ha detto Ajith. “Tuttavia, poiché LIGO e Virgo avevano già osservato solo 10 segnali di onde gravitazionali, la nostra aspettativa di trovare tali distorsioni era bassa“.

Recentemente la Collaborazione LIGO-Virgo ha annunciato simili risultati nulli dal suo terzo giro di osservazione. Inoltre, Ajith e i suoi colleghi hanno analizzato indipendentemente le onde gravitazionali che un gruppo dell’Institute for Advanced Studies (IAS) di Princeton aveva scoperto all’interno dei dati LIGO-Virgo. Nel complesso, hanno così analizzato più di 50 eventi di onde gravitazionali.

Mentre i ricercatori non sono stati in grado di osservare distorsioni da microlensing in nessuno dei segnali analizzati, le loro analisi hanno permesso loro di stabilire ulteriori vincoli sulla materia oscura compatta. In altre parole, hanno vincolato la frazione di materia oscura che consiste di buchi neri massicci.

I vincoli che abbiamo ottenuto finora sono abbastanza modesti“, ha detto Ajith. “Tutto quello che possiamo dire è che non più del 50% della materia oscura è sotto forma di buchi neri massicci, il che non è una nuova informazione. Tuttavia, nei prossimi anni, LIGO e Virgo dovrebbero osservare da centinaia a migliaia di segnali di onde gravitazionali. Queste osservazioni ci permetteranno di migliorare significativamente questi vincoli“.

In futuro, Ajith e i suoi colleghi prevedono di analizzare tutti i nuovi eventi di onde gravitazionali registrati dai rivelatori LIGO-Virgo. Inoltre, sperano che il loro recente lavoro incoraggi altri team a utilizzare il microlensing delle onde gravitazionali per indagare la natura della materia oscura.

Come parte della collaborazione LIGO-Virgo, stiamo analizzando tutti i segnali di onde gravitazionali rilevati da LIGO e Virgo durante le loro ultime tre osservazioni (un totale di quasi 100 eventi)“, ha aggiunto Ajith. “Questo migliorerà un po’ il vincolo. Tuttavia, non vediamo l’ora di analizzare i dati della prossima serie di osservazioni, dove LIGO e Virgo dovrebbero osservare centinaia di segnali di onde gravitazionali!

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