Multimessenger search strategy for composite dark matter with white dwarf data and gravitational wave detectors

L'universo è pieno di una misteriosa sostanza chiamata materia oscura. Sappiamo che esiste perché la sua gravità tiene insieme le galassie e piega la luce delle stelle distanti, eppure non emette, assorbe o riflette alcuna luce. Per decenni, gli scienziati l'hanno cercata osservando minuscole particelle invisibili che potrebbero attraversarci ogni secondo. Tuttavia, nonostante decenni di sforzi, nessuno ha trovato nemmeno una di queste particelle. Questa mancanza di scoperte ha portato alcuni ricercatori a considerare una possibilità diversa: che la materia oscura non sia fatta di minuscole particelle, ma piuttosto di grandi, pesanti ammassi. Questi ammassi sarebbero oggetti macroscopici, forse piccoli come un granello di sabbia o grandi come una montagna, formati dalla stessa materia oscura che costituisce la massa invisibile del cosmo. Il problema nel cercare questi grandi ammassi è che sono così rari. Poiché sono pesanti, ce ne sono molti meno in giro rispetto alle minuscole particelle, il che li rende incredibilmente difficili da catturare con i rilevatori standard sulla Terra.

Per risolvere questo problema, un team di ricercatori dell'Università Sun Yat-sen in Cina ha proposto un nuovo modo per dare la caccia a questi grandi ammassi di materia oscura. Invece di aspettare che colpiscano un rilevatore in un laboratorio, suggeriscono di ascoltare le increspature che potrebbero causare nello spazio stesso, re-esaminando anche la storia delle stelle morte. I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di materia oscura composta da oggetti compositi, simili a come gli atomi sono fatti di particelle più piccole, ma esistenti in un settore nascosto dell'universo. Questi oggetti possono essere abbastanza pesanti da avere la propria gravità e possono interagire con la materia normale attraverso una forza leggermente più forte della gravità. Il team ha sviluppato una strategia unificata che combina due tipi molto diversi di osservazioni: le morti violente delle stelle e gli strumenti sensibili progettati per ascoltare le onde gravitazionali di buchi neri in collisione.

La prima parte della loro strategia riguarda l'osservazione delle nane bianche, che sono i nuclei densi e in fase di raffreddamento di stelle come il nostro Sole dopo che hanno esaurito il loro combustibile. Queste stelle sono incredibilmente dense e agiscono come enormi rilevatori a lunga esposizione. Se un grande ammasso di materia oscura dovesse attraversare una nana bianca, si scontrerebbe con gli atomi della stella, trasferendo energia mentre passa. Se l'ammasso è abbastanza pesante e si muove abbastanza velocemente, questo trasferimento di energia potrebbe riscaldare un piccolo punto all'interno della stella fino a milioni di gradi. Questo calore improvviso potrebbe innescare un'esplosione nucleare incontrollata, trasformando la nana bianca in una supernova. I ricercatori hanno analizzato i dati di migliaia di nane bianche per vedere se qualcuna di esse fosse esplosa in un modo che potesse essere spiegato da questo processo. Utilizzando modelli più accurati delle strutture interne delle stelle e un database di nane bianche note più ampio che mai, hanno calcolato esattamente quanta energia un ammasso di materia oscura dovrebbe depositare per causare un tale tipo di esplosione. Hanno scoperto che, se questi ammassi esistono e interagiscono con la materia normale in un modo specifico, avrebbero innescato esplosioni in molte delle nane bianche che abbiamo già osservato. Poiché non vediamo queste esplosioni accadere con la frequenza che la teoria prevede, i ricercatori sono stati in grado di escludere una vasta gamma di possibilità per ciò che potrebbero essere questi ammassi di materia oscura, restringendo specificamente la forza della loro interazione con la materia normale.

La seconda parte dello studio guarda al futuro, utilizzando strumenti spaziali progettati per rilevare le onde gravitazionali. Questi rilevatori, come le missioni pianificate LISA, TianQin e Taiji, consistono in satelliti che fluttuano nello spazio e misurano minuscoli cambiamenti nella distanza tra loro con estrema precisione. I ricercatori si sono resi conto che se un pesante ammasso di materia oscura dovesse passare vicino a uno di questi satelliti, la sua attrazione gravitazionale tirerebbe le masse di prova all'interno dello strumento. Questa trazione causerebbe uno spostamento minimo e rilevabile nella velocità del satellite, creando un segnale unico nei dati. A differenza del metodo della nana bianca, che cerca l'assenza di esplosioni, questo metodo cerca la presenza di una specifica spinta gravitazionale. Il team ha calcolato la sensibilità di questi futuri rilevatori e ha scoperto che potrebbero individuare ammassi di materia oscura con masse che vanno da un grammo a dieci trilioni di grammi, a condizione che gli ammassi interagiscano con la materia normale con una forza significativamente più forte della gravità. Questo approccio apre una nuova finestra sull'universo, permettendo agli scienziati di sondare regioni del panorama della materia oscura che sono completamente invisibili ai tradizionali rilevatori di particelle e persino al metodo della nana bianca.

I ricercatori hanno combinato questi due approcci per creare una potente strategia di ricerca multi-messaggero. Hanno scoperto che, per gli ammassi di materia oscura con densità interne inferiori, i vincoli derivanti dalle esplosioni delle nane bianche sono così severi da lasciare quasi alcuno spazio alla loro esistenza. Tuttavia, per gli ammassi con densità interne molto elevate, il metodo della nana bianca perde la sua efficacia, ma i rilevatori di onde gravitazionali diventano lo strumento perfetto. In questo regime ad alta densità, i rilevatori spaziali potrebbero potenzialmente identificare questi oggetti e persino misurarne le proprietà con grande precisione. Il team ha utilizzato strumenti statistici per dimostrare che, se venisse rilevato un segnale, questi strumenti potrebbero determinare la massa dell'ammasso di materia oscura e la forza della sua interazione con la materia normale entro un margine di pochi percentuali. Ciò significa che, se questi pesanti ammassi esistono e passano vicino ai nostri futuri osservatori spaziali, non solo sapremo che sono lì, ma saremo in grado di capire esattamente di cosa sono fatti.

Unendo lo studio delle stelle morenti con il campo all'avanguardia dell'astronomia delle onde gravitazionali, questo lavoro offre un piano completo per scoprire questi elusivi oggetti di materia oscura macroscopica o per escluderli del tutto. Lo studio dimostra che l'universo offre molteplici modi per testare le nostre teorie e che, utilizzando la storia violenta delle stelle insieme alla silenziosa precisione degli interferometri spaziali, possiamo finalmente mettere all'angolo uno dei più persistenti misteri della fisica. I risultati suggeriscono che il prossimo decennio di osservazioni astronomiche potrebbe fornire la risposta definitiva sul fatto che la materia oscura sia fatta di minuscole particelle o di massicci ammassi invisibili, portandoci un passo più vicini a comprendere la vera natura del cosmo.