La collisione tra due stelle di neutroni a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra potrebbero aver gettato nuova luce sulla materia oscura. Una nuova ricerca (rif.) condotta dal fisico Bhupal Dev suggerisce che la fusione tra stelle di neutroni, rilevata come segnale di onda gravitazionale GW170817, potrebbe aiutare a porre vincoli su ipotetiche particelle chiamate assioni, uno dei principali candidati per la materia oscura. Gli assioni non sono mai stati rilevati direttamente, ma compaiono in molti modelli che estendono la fisica oltre il Modello Standard della fisica delle particelle. Il modello al momento è la nostra migliore descrizione attuale delle particelle subatomiche e di come interagiscono tra loro.
La materia oscura rappresenta una vera sfida per gli scienziati perché non interagisce con la luce. Questo significa che è invisibile ai nostri occhi e inoltre mostra anche mancanza di interazione con altre forze come la forza elettromagnetica. A causa di queste strane caratteristiche, la materia oscura non può essere costituita da elettroni, protoni e neutroni, gli ingredienti della materia che compone tutto ciò che ci circonda quotidianamente.
“Abbiamo buone ragioni per sospettare che una nuova fisica oltre il modello standard potrebbe essere in agguato proprio dietro l’angolo”, ha detto Dev. “Gli ambienti astrofisici estremi, come le fusioni di stelle di neutroni, forniscono una nuova finestra di opportunità nella nostra ricerca. Particelle come gli assioni, potrebbero contenere la chiave per comprendere l’85% mancante di tutta la materia nell’universo”.
Gli assioni nascondono i rottami di stelle di neutroni ?
Le stelle di neutroni nascono quando le stelle massicce esauriscono le scorte di combustibile necessarie per la fusione nucleare interna. Quando accade non riescono più a sostenersi contro la spinta verso l’interno della propria gravità. Quando questo equilibrio cosmico finisce, gli strati esterni di una stella vengono gettati via in una massiccia esplosione di supernova. Il fenomeno lascia dietro di sé un nucleo stellare collassato con la massa del stella stipata in una larghezza di circa 20 chilometri. Le stella di neutroni, sono così chiamata perché piena di materia ricca di neutroni così dense che se un cucchiaino peserebbe circa 10 milioni di tonnellate.
Queste stelle di neutroni non sempre esistono isolatamente. In alcuni volteggiano attorno a un’altra stella di neutroni compagna. In questa configurazione creano una cosiddetta stella binaria di neutroni, generando increspature nello spaziotempo chiamate onde gravitazionali. Mentre queste increspature dello spaziotempo si irradiano verso l’esterno, trasportano il momento angolare lontano dal sistema binario. Così facendo i resti stellari si avvicinino più strettamente finché la gravità non prende il sopravvento e le fonde insieme.
Data la natura estrema, una collisione tra questi resti stellari, genera fenomeni fisici che non si vedono da nessun’altra parte nell’universo. Gli scienziati infatti pensano che le fusioni di stelle di neutroni siano gli unici ambienti abbastanza violenti da forgiare elementi più pesanti del ferro. Elementi come l’oro e l’argento, non vengono creati nemmeno nelle stelle più massicce dell’universo. L’evento è possibile perché le collisioni tra stelle di neutroni sparano via materia ricca di neutroni liberi, particelle che di solito si trovano rinchiuse nei nuclei atomici insieme ai protoni.
I neutroni ed il processo di cattura rapida
I neutroni spazzati via, possono quindi essere inghiottiti da altri nuclei atomici nella regione, un fenomeno chiamato processo di cattura rapida. Questo crea nuclei atomici massicci e instabili che alla fine decadono per creare elementi più leggeri come l’oro. Il decadimento produce anche luce che gli astronomi vedono come una kilonova dal nostro punto di osservazione qui sulla Terra. La fusione forma anche un residuo denso e di breve durata delle due stelle di neutroni che collassa rapidamente dando vita a un buco nero.
“Il resto diventa molto più caldo delle singole stelle per circa un secondo prima di stabilizzarsi in una stella di neutroni più grande o in un buco nero, a seconda delle masse iniziali”, ha spiegato Dev. Il fisico ritiene che ciò significhi che il residuo è il punto di produzione ideale per particelle esotiche come gli assioni. Queste particelle potrebbero sfuggire al luogo della fusione delle stelle di neutroni e decadere in altre particelle, compresi i fotoni, che sono particelle di luce. Dev e colleghi pensano che il decadimento di queste particelle diano origine a un segnale elettromagnetico unico che potrebbe essere captato dai telescopi a raggi gamma, come quello spaziale Fermi della NASA.
I futuri strumenti di rilevamento dei raggi gamma potrebbero concentrarsi sulle collisioni delle stelle di neutroni. I dati raccolti potranno migliorare la comprensione degli scienziati sugli assioni e particelle simili. Questo potrebbe portare alla scoperta delle particelle che compongono la materia oscura, risolvendo una delle domande più urgenti della cosmologia. Di cosa è fatta la materia mancante dell’universo ?
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