Teorie esotiche sulla materia oscura. Onde gravitazionali. Osservatori nello spazio. Buchi neri giganti. Galassie in collisione. Laser. Se sei un fan di tutte le cose più fantastiche dell'universo, allora questo articolo è per te.
La materia oscura e la galassia nana
La maggior parte dei contenuti del nostro universo ha una forma completamente sconosciuta alla fisica. Questo è solo un fatto crudo a cui tutti dovremo abituarci. Se sei tentato di pensare che sia solo una specie dicosmologicoproblema, un problema che si pone solo su scale molto grandi, beh, allora ho una brutta notizia per te. Uno di questi misteriosi componenti del cosmo è, per quanto ne sappiamo, una forma di materia.
Ma non una qualsiasi forma di materia, altrimenti l'avremmo già vista. No, pensiamo che sia una specie dibuioquestione; materia che semplicemente non interagisce con la luce . Nessuna emissione. Nessun assorbimento. Nessuna dispersione. Niente. E il fatto che la materia oscura esista non dovrebbe essereQuellosorprendente, dovrebbe? Dopotutto, chi ha dettato che tutto nell'universodovereinteragire con la luce?
Nessuno lo ha fatto, e quindi eccoci qui. Se guardi una galassia casuale, le cose che si illuminano - stelle, nebulose, ecc. - rappresentano solo una piccola frazione della quantità totale di massa in quella galassia. L'esatto rapporto tra la materia 'normale' e la materia 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.
Piccola, fioca e oscura: la galassia nana UGC 5189A. Credito immagine: ESO
Le galassie più piccole, conosciute come galassie nane , potrebbe fornire un pratico laboratorio per lo studio della materia oscura. In queste galassie, la materia oscura è libera di fare ciò che fa la materia oscura 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 della semplice esistenza), come interagire con se stessa tramite la debole forza nucleare, o essere composta da più tipi di particelle esotiche, allora qualsiasi effetto si farà più pronunciato in una galassia nana rispetto a qualcosa come la via Lattea.
Tutto questo è fantastico e buono, tranne per il piccolo avvertimento che mentre tutta questa fisica interessante sta accadendo sotto il cofano, è difficile per noi vederlo. Perché è buio.
La connessione del buco nero
Una delle tante cose che non capiamo sulla materia oscura è come si comporta nei nuclei delle galassie. Semplice simulazioni di evoluzione galattica prevedere qualcosa chiamato 'cuspide' - un osso duro di densità incredibilmente alta che si trova nel centro altrimenti cremoso di una galassia. Ma le osservazioni non lo mettono a nudo: dovrebbero esserci molte stelle che seguono l'influenza gravitazionale di tutta quella materia oscura. E sicuramente ci sono molte stelle al centro di una galassia, ma noQuellomolti.
Qualcosa deve appianare la materia oscura centrale . Potrebbero essere interazioni esotiche nella stessa materia oscura. Potrebbero essere cause più banali come i venti di supernova che fanno esplodere il gas. Potrebbero 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 galassie nane sono lontani, deboli e piccoli - e i loro nuclei ancora di più.
Come potremmo sbirciare dentro di loro?
Per fortuna le galassie hanno più di cittadini stellari. Hanno anche buchi neri. Gigante quelli 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 radunarsi nei nuclei delle loro galassie ospiti potrebbe essere utile. Quindi forse – lavora con me qui – se potessimo studiare in qualche modo il comportamento dei buchi neri all'interno delle galassie nane, potremmo ottenere alcuni indizi sulla natura della materia oscura.
Lisa sente nel buio
Ma i buchi neri sono anche neri e difficili da vedere. E piccolo. E lontano. Fortunatamente, non dobbiamo vedere i 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 estendono da una pesante pietra caduta nell'acqua. Queste onde di gravità si diffondono nello spazio alla velocità della luce, allungandosi e schiacciando sempre leggermente qualsiasi materia interposta mentre passano. In effetti, mentre leggi questo, il tuo corpo viene tirato e schiacciato 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 che le hanno misurate hanno avuto alcuni premi Nobel per il loro impegno decennale utilizzare fasci di luce interferenti per catturare il segnale sottile.
ma il nostro tre osservatori di onde gravitazionali sulla superficie della Terra non può aiutarci con il nostro problema del buco nero all'interno della galassia nana per studiare la materia oscura. Quei buchi neri – conosciuti come buchi neri di massa intermedia -sono troppo piccoli per produrre un segnale rilevabile fin qui nella Via Lattea quando si uniscono.
Ma un osservatorio di onde gravitazionali nello spazio potrebbe farlo. Il proposta missione LISA (che sta per, come avrai intuito, Laser Interferometer Space Antenna) potrebbe avere la giusta sensibilità per vedere il segnale di fusione di buchi neri di medie dimensioni, proprio come quelli che si trovano nel cuore delle galassie nane.
E secondo a nuovo articolo recentemente accettato dall'Astrophysical Journal Letters guidati 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 rapidità con cui si fondono i buchi neri nelle galassie nane, che è qualcosa che LISA possibile scegliere a parte.
È un percorso indiretto per comprendere la materia oscura, ma in un problema così irritante come questo, è promettente.
Per saperne di più: 'Formazione di binari LISA Black Hole nella fusione di galassie nane: l'impronta della materia oscura'