Alieni? No, Materia Oscura

 Fabrizio Tamburini, astrofisico dello ZKM di Karlsruhe e il fisico teorico Ignazio Licata dell’ISEM di Palermo si inseriscono nel dibattito sulla Dark Matter con un modello che spiega in modo originale le modulazioni periodiche nello spettro di un gruppo di stelle intorno alla sequenza principali, simili dunque al nostro sole. L’articolo, dal prudente titolo Can the periodic spectral modulations of the 236 SETI candidate Sloan Survey stars be due to Dark Matter effects?

[arXiv:1611.02586 [astro-ph.SR] è in corso di pubblicazione nella prestigiosa Physica Scripta , giornale della Reale Accademia delle Scienze Svedese. Abbiamo discusso con i due scienziati del loro lavoro.

• Qual è lo stato della ricerca nel campo della Materia Oscura?

FT : La Materia Oscura è certamente tra le sfide più affascinanti della Fisica Contemporanea. Com’è noto, questo tipo di materia non visibile (non emette radiazione elettromagnetica ed interagisce debolmente con le forme note di materia) è un elemento ineludibile del Modello Cosmologico Standard, basato sulla Relatività Generale e sulle attuali teorie di particelle. Sarebbe infatti impossibile spiegare formazione, dinamica e stabilità di tutte le strutture cosmiche. La sua evidenza si ha a tutte le scale astrofisiche, da quelle locali, interne alla nostra Galassia, alle galassie esterne, agli ammassi di galassie, fino alle scale cosmologiche. Allo stesso modo, una serie di osservazioni basate sulla distanza di luminosità delle Supernovae di Tipo Ia, la radiazione cosmica di fondo e la distribuzione delle strutture cosmiche, le fluttuazioni della materia “ordinaria” (le cosidette Baryonic Acoustic Oscillations) ed altri fenomeni indicano chiaramente che il fluido cosmologico è in espansione accelerata. La causa è attribuita alla costante cosmologica o ad una non ben definita forma di energia oscura che accelererebbe il cosmo.

Malgrado queste evidenze macroscopiche,e malgrado il fatto che la Relatività Generale riceva sempre nuove conferme (la recente scoperta delle onde gravitazionali è una delle prove recenti più eclatanti), i costituenti fondamentali della materia oscura e dell’energia oscura appaiono estremamente elusivi.

Tutte le ricerche dirette e indirette di particelle con massa che interagiscano gravitazionalmente ma non elettromagneticamente sembrano, ad oggi, senza successo. Da un punto di vista generale, sembra che il Modello Standard delle Particelle Elementari sia estremamente solido e non lasci posto ad altre particelle “esotiche”. D’altro canto, anche modificare il cosiddetto settore gravitazionale può risultare problematico, se le teorie alternative alla Relatività Generale non riproducono i risultati di quest’ultima, sperimentalmente ben fondati almeno alle scale locali.

• Il vostro contributo riguarda gli assioni, cosa sono?

IL: Ci siamo imbattuti in un articolo [Borra e Trottier [Arxiv 1610.03031v1, PASP 128 , 969 (2016)] che riportava i dati della collaborazione astronomica Sloan Sky Survey per 236 stelle intorno alla sequenza principale che rivelamo modulazioni periodiche estremamente regolari, al punto da spingere gli autori ad invocare una spiegazione “aliena” stile SETI (Search of Extraterritorial Intelligence). Sia Fabrizio che io abbiamo simpatia per la SF ed abbiamo visto n volte “Contact”, ma in questo caso ci sembrava francamente esagerato! Dopo il tradizionale e convulso scambio di mails e messaggi abbiamo deciso di cercare altrove, passando in rassegna i candidati per la Dark Matter, le particelle WIMPs (weak interacting massive particles). Tra queste gli assioni ci sono sembrati i più semplici ed interessanti. Si tratta di particelle che hanno una massa molto piccola e sono stete ipotizzate da Peccai-Quin nel 1977 per risolvere un sottile problema di simmetria legata alla descrizione della forza forte nella QCD (Quantum Cromodynamics). Non le ultime arrivate dunque. La letteratura sugli aspetti microscopici degli assioni è sterminata, ma non c’è tantissimo sulle applicazioni astrofisiche e cosmologiche. Data la presenza ubiqua della materia oscura, abbiamo cercato di vedere come “respira” una stella che contiene materia oscura. Dopo circa un mese di congetture e calcoli, le cosa ha iniziato a prendere forma. Partendo dalle frequenze osservate, abbiamo stabilito un intervallo plausibile per la massa dell’assione compatibile con quello ottenuto di recente da Borsanyi et al. [Nature 539, 69-71 (2016) hep-lat 1606.07494v2] mediante simulazioni su modelli QCD. In altre parole, la modulazione di frequenza osservata in queste 236 stelle sarebbe dovuta ad oscillazioni di assioni, “intrappolati” dentro la materia ordinaria delle stelle. Tali particelle potrebbero strutturarsi in sistemi astrofisici complessi e formare le cosiddette “stelle di bosoni” e, soprattutto, sarebbero le particelle compatibili con il Modello Standard in quanto spiegherebbero la rottura di simmetria CP (carica-parità) nelle interazioni forti.

• Tutte le stelle dovrebbero mostrare effetti di questo tipo?

In effetti era una delle nostre preoccupazioni principali: perché un numero così esiguo di stelle simili al nostro Sole? La risposta è venuta dalla logica delle simulazioni che discende naturalmente dalle ipotesi principali, si tratta di una questione di densità critica. Per stelle diverse la turbolenza nasconderebbe questa sottile modulazione. A questo punto abbiamo detto Eureka!

• Cosa vi aspettate per il futuro?

FT & IL: Svilupperemo il modello in alcune direzioni precise. Per il momento siamo soddisfatti di vedere come ingredienti provenienti da direzioni diverse (osservazioni astronomiche, materia bosonica, particelle elementari) si incastrano a perfezione. In fisica è sempre un buon segno.E speriamo in sviluppi interessanti nel futuro della cosmologia della Dark Matter!