La fusione di stelle di bosoni potrebbe dimostrare l’esistenza della materia oscura

Un team internazionale di scienziati, guidato dall’Istituto galiziano di fisica delle alte energie (IGFAE) e dall’Università di Aveiro, ha scoperto che la più pesante collisione di un buco nero, mai osservata prima e prodotta dall’onda gravitazionale GW190521, potrebbe effettivamente essere qualcosa di ancora più misterioso: la fusione di due stelle di bosoni. Questa sarebbe la prima prova dell’esistenza di questi oggetti ipotetici e che si ritiene possano costituire il 27% della massa nell’universo.

Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo che viaggiano alla velocità della luce. Queste derivano dagli eventi più violenti dell’universo, fornendo informazioni su come questi ultimi si possano essere verificati. Dal 2015, i due rilevatori, LIGO negli Stati Uniti e Virgo a Cascina, in Italia, hanno rilevato e interpretato le onde gravitazionali. 

Ad oggi, questi rilevatori hanno già osservato circa 50 segnali di onde gravitazionali. Tutti queste, hanno avuto origine nelle collisioni e fusioni di buchi neri e stelle di neutroni, consentendo ai fisici di approfondire la conoscenza di questi oggetti.

Nel settembre 2020, la collaborazione tra LIGO e Virgo (LVC) ha annunciato al mondo di aver rilevato il segnale di onde gravitazionali GW190521. Secondo la loro analisi, il segnale era coerente con la collisione di due buchi neri pesanti, di 85 e 66 volte la massa del Sole, che ha prodotto un buco nero finale con 142 masse solari. Il buco nero risultante è stato il primo di una nuova famiglia di buchi neri precedentemente inosservata: i buchi neri di massa intermedia. 

Questa scoperta è di fondamentale importanza, poiché tali buchi neri erano l’anello mancante tra due ben note famiglie di buchi neri, ovvero quella dei buchi neri di massa stellare che si formano dal collasso delle stelle, e quella dei buchi neri supermassicci che risiedono al centro di quasi tutte le galassie, compresa la Via Lattea.

Inoltre, questa osservazione ha comportato un’enorme sfida. Se quello che pensiamo di sapere su come le stelle vivono e muoiono è corretto, il più pesante dei buchi neri in collisione (85 masse solari) non potrebbe formarsi dal collasso di una stella alla fine della sua vita, il che apre una serie di dubbi e possibilità sulle sue origini.

In un articolo pubblicato su Physical Review Letters, un team di scienziati, guidato dal dottor Juan Calderón Bustillo presso l’Istituto galiziano di fisica delle alte energie (IGFAE), centro congiunto dell’Università di Santiago de Compostela e Xunta de Galicia, e il dott. Nicolás Sanchis-Gual, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Aveiro e l’Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), insieme a collaboratori dell’Università di Valencia, Monash University e The Chinese University of Hong Kong, ha proposto una spiegazione alternativa per l’origine del segnale GW190521.

Si tratterebbe di una collisione tra due oggetti esotici, noti come stelle di bosoni, che sono al tempo stesso uno dei candidati più probabili per spiegare la materia oscura. Nella loro analisi, il team è stato in grado di stimare la massa di una nuova particella costituente queste stelle, un bosone ultraleggero con una massa miliardi di volte più piccola degli elettroni.

Il team ha confrontato il segnale GW190521 con simulazioni al computer di fusioni tra bosoni e stelle e ha scoperto che queste potrebbero spiegare meglio i dati provenienti dall’analisi condotta da LIGO e Virgo. Il risultato implica che la sorgente avrebbe proprietà diverse da quelle dichiarate in precedenza. 

“In primo luogo, non parleremmo più di buchi neri in collisione. Inoltre, poiché le fusioni di stelle di bosoni sono molto più deboli, deduciamo una distanza molto più vicina rispetto a quella stimato da LIGO e Virgo. Questo, porta ad una massa molto più grande per il buco nero finale, di circa 250 masse solari. Quindi il fatto che abbiamo assistito alla formazione di un buco nero di massa intermedia rimane vero“, ha spiegato il dottor Calderón Bustillo.

“Le stelle di bosoni sono oggetti compatti quasi quanto i buchi neri ma, a differenza di loro, non hanno una superficie di “non ritorno”. Quando si scontrano, formano una stella bosone che può diventare instabile, collassando in un buco nero e producendo un segnale coerente con quanto osservato da LIGO e Virgo. A differenza delle stelle normali, che sono fatte di ciò che comunemente conosciamo come materia, le stelle di bosoni sono costituite da ciò che conosciamo come bosoni ultraleggeri. Questi bosoni sono uno dei candidati più importanti per costituire ciò che conosciamo come materia oscura” ha dichiarato il dottor Nicolás Sanchis-Gual.

Il team ha scoperto che sebbene l’analisi possa favorire l’ipotesi della fusione dei buchi neri, i dati raccolti invece indicherebbero più una fusione di stelle di bosoni.

“I nostri risultati mostrano che i due scenari sono quasi indistinguibili visti i dati, sebbene l’ipotesi della stella bosonica esotica sia leggermente più attendibile. Questo è molto importante, dal momento che il nostro modello stella bosone è, per ora, molto limitato e soggetto a miglioramenti importanti. Un modello più evoluto potrebbe portare a prove ancora più ampie per questo scenario e ci consentirebbe anche di studiare precedenti osservazioni di onde gravitazionali sotto l’ipotesi di fusione bosone-stella” ha affermato il prof. Jose A. Font dell’Università di Valencia.

“Uno dei risultati più affascinanti è che possiamo effettivamente misurare la massa di questa presunta nuova particella di materia oscura e che un valore pari a zero viene scartato con grande sicurezza. Se confermato da successive analisi di questa e di altre osservazioni di onde gravitazionali, il nostro risultato fornirebbe la prima prova osservativa di un candidato alla materia oscura, a lungo cercato” ha spiegato il prof. Carlos Herdeiro dell’Università di Aveiro.

Fonte: https://phys.org/news/2021-02-merging-boson-stars-massive-black.html?fbclid=IwAR1hi6pKzCMgUx2_WslPCfSjn6o6IK_41Umq7pcT3rTSkzdrJFLwnuXri4s