Composition $g$-modes and $f$-modes of neutron stars with gravitationally coupled dark matter: degeneracy with the symmetry energy

Nel cuore profondo del cosmo, le stelle di neutroni si ergono come i laboratori più estremi della natura. Questi sono i nuclei collassati di stelle massicce, schiacciati così strettamente che un singolo cucchiaino del loro materiale peserebbe un miliardo di tonnellate sulla Terra. Per decenni, i fisici hanno sospettato che queste sfere dense potrebbero custodire un segreto: la materia oscura. A differenza della materia ordinaria che compone stelle, pianeti e persone, la materia oscura non emette luce né interagisce con la luce; si rivela solo attraverso la sua gravità. Se particelle di materia oscura scivolano in una stella di neutroni, potrebbero depositarsi al suo centro o diffondersi in un alone, alterando sottilmente la struttura interna della stella. La domanda è se possiamo rilevare questo ospite invisibile. Per farlo, gli scienziati osservano come queste stelle vibrano. Proprio come una campana suona con un tono specifico quando viene colpita, una stella di neutroni oscilla in schemi distinti dopo essere stata disturbata. Alcune di queste vibrazioni, note come modi di composizione, sono sensibili alla miscela esatta di particelle all'interno della stella, mentre altre dipendono dalla densità complessiva della stella. Ascoltando questi toni cosmici, i ricercatori sperano di distinguere tra una stella di neutroni pura e una che nasconde la materia oscura al suo interno.

Un team di ricercatori ha recentemente esaminato questo problema con uno sguardo nuovo, andando oltre i modelli semplificati per simulare la piena complessità della gravità così come descritta da Einstein. Si sono concentrati su uno scenario specifico in cui la materia oscura interagisce con la materia ordinaria della stella solo attraverso la gravità, senza altre forze in gioco. In questa configurazione, la materia oscura forma un fluido separato all'interno della stella, distinto dai neutroni e dai protoni che costituiscono la maggior parte della massa della stella. Gli scienziati hanno costruito una vasta libreria di possibili modelli di stelle di neutroni, utilizzando sessantatré diverse teorie su come la materia nucleare si comporti sotto pressione estrema. Hanno poi introdotto la materia oscura in questi modelli, variando la quantità di materia oscura e la massa delle particelle oscure, e hanno calcolato come cambierebbero le frequenze di vibrazione della stella. Hanno confrontato queste previsioni teoriche con dati reali raccolti da due fonti principali: misurazioni precise delle dimensioni e delle masse delle stelle di neutroni del telescopio spaziale NICER, e segnali di onde gravitazionali provenienti dalla collisione di due stelle di neutroni rilevati dagli osservatori LIGO e Virgo.

I risultati hanno rivelato un sorprendente limite nell'uso di queste vibrazioni come rilevatore diretto di materia oscura. Quando i ricercatori hanno esaminato i modi di composizione, che sono guidati dal galleggiamento di elementi fluidi all'interno della stella, hanno scoperto che la materia oscura stessa ha un effetto diretto molto debole. Poiché la materia oscura percepisce solo la gravità, non cambia significativamente i gradienti chimici interni che guidano queste specifiche vibrazioni. Un nucleo oscuro che detiene il dieci per cento della massa della stella potrebbe aumentare la frequenza del modo di composizione fondamentale solo del dieci o quindici per cento. Si tratta di uno spostamento piccolo, specialmente se confrontato con i modelli precedenti in cui si assumeva che la materia oscura si mescolasse chimicamente con i neutroni, i quali prevedevano cambiamenti molto più grandi. I ricercatori hanno scoperto che i dati di NICER e l'evento di onde gravitazionali GW170817 non mostrano una preferenza per stelle contenenti materia oscura. Inveve, i dati stabiliscono semplicemente un limite superiore: se la materia oscura esiste in queste stelle, non può costituire più del dodici-ventisei per cento della massa totale, a seconda della massa delle particelle oscure.

Tuttamente, la storia non finisce con un semplice "no". Lo studio ha scoperto un effetto più sottile e significativo. Sebbene la materia oscura non scuota direttamente i modi di composizione della stella, la sua presenza costringe la materia nucleare ordinaria a comportarsi diversamente. Per soddisfare le dimensioni e la massa osservate delle reali stelle di neutroni portando con sé un nucleo oscuro, la materia nucleare deve essere più "rigida", ovvero resiste alla compressione con maggiore forza. Questo cambiamento nelle proprietà della materia nucleare ha un impolo profondo sulle frequenze di vibrazione. I ricercatori hanno scoperto che la frequenza del modo di composizione è così sensibile alla rigidità della materia nucleare che una stella con un nucleo oscuro appare quasi identica a una stella senza materia oscura ma con un diverso tipo di fisica nucleare. Nello specifico, un nucleo oscuro contenente il dieci per cento della massa imita l'effetto del cambiamento di una proprietà chiave della materia nucleare, nota come pendenza dell'energia di simmetria, di nove o dodici milioni di elettronvolt. Ciò crea una "degenerazione", una situazione in cui due realtà fisiche molto diverse producono lo stesso segnale osservabile. Senza conoscere i dettagli esatti di come la materia nucleare si comporta ad altissime densità, è impossibile dire se una misurata frequenza di vibrazione sia causata dalla materia oscura o semplicemente da un diverso stato di equazione nucleare.

I ricercatori hanno anche esaminato un altro tipo di vibrazione, il modo fondamentale, che è guidato dalla pressione e segue la densità media della stella. Questo modo si comporta diversamente. Poiché un nucleo oscuro concentra la massa al centro, esso cambia la relazione tra la forma complessiva della stella e la sua frequenza di vibrazione in un modo in cui non fanno le stelle puramente nucleari. Lo studio ha mostrato che un nucleo oscuro rompe il stretto legame tra la frequenza di vibrazione e la deformabilità mareale della stella — una misura di quanto facilmente la stella venga deformata dalla gravità di un compagno. Questa rottura nella relazione è piccola, circa l'uno per cento, ma è distinta e costante in tutti i modelli nucleari testati. Ciò suggerisce che se potessimo misurare sia la frequenza di vibrazione che la deformabilità mareale con precisione sufficientemente alta, potremmo essere in grado di individuare la firma di un nucleo oscuro, anche se i modi di composizione rimangono ambigui. Tuttavia, questo test si basa su un'ipotesi cruciale: la nostra libreria teorica di modelli di materia nucleare deve essere completa. I ricercatori avvertono che se la vera equazione di stato nucleare manca nei nostri modelli, anche un minuscolo errore di misurazione potrebbe essere interpretato erroneamente. In tal caso, un nucleo oscuro potrebbe essere l'unico modo per il modello di riprodurre le frequenze osservate, portando a un falso positivo. Come sottolineano gli autori, "Dati sui modi con precisione percentuale possono fabbricare prove di materia oscura con la stessa facilità con cui le trovano".

In definitiva, l'articolo conclude che i modi di composizione sono uno scarso strumento per rilevare direttamente la materia oscura nelle stelle di neutroni quando la materia oscura interagisce solo attraverso la gravità. Il segnale è troppo facilmente confuso con i dettagli ignoti della fisica nucleare. I ricercatori sottolineano che qualsiasi affermazione di scoperta di materia oscura basata su queste vibrazioni richiederebbe prima una comprensione completa e perfetta della materia nucleare. Se i modelli teorici della materia nucleare sono incompleti, un'interpretazione di materia oscura potrebbe facilmente essere un falso allarme, scambiando una lacuna nella nostra conoscenza degli atomi per la presenza di particelle invisibili. Lo studio funge da promemoria cruciale: nel tentativo di comprendere i segreti più oscuri dell'universo, dobbiamo prima essere assolutamente certi del comportamento della materia più leggera e familiare. La strada da seguire consiste nel perfezionare la nostra comprensione della fisica nucleare e nell'attendere la prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali, che potrebbero finalmente essere abbastanza sensibili da catturare la minuscola deviazione dell'uno per cento lasciata da un nucleo oscuro.