Le nane oscure nascoste al centro della galassia svelano la natura della materia oscura

Oggetti celesti chiamati nane oscure potrebbero nascondersi al centro della nostra galassia e  offrire indizi decisivi per svelare la natura di uno dei fenomeni più misteriosi e fondamentali per la ricerca contemporanea sul cosmo: la materia oscura. Un nuovo paper pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) da un team di ricercatori sparsi fra il Regno Unito e le isole Hawaii descrive per la prima volta questi oggetti e propone come verificare la loro esistenza sfruttando gli strumenti di osservazione oggi disponibili, come il James Webb Telescope.

Il team anglo-statunitense autore dello studio le ha chiamate dark dwarfs, nane oscure. Non perché siano corpi bui – anzi – ma per il loro legame speciale con la materia oscura, uno dei temi oggi più centrali nella ricerca in cosmologia e astrofisica. “Pensiamo che il 25% dell’universo sia composto da questo tipo di materia che non emette luce e che non possiamo vedere con i nostri occhi o con i telescopi. La individuiamo solo attraverso i suoi effetti gravitazionali. Per questo la chiamiamo materia oscura,” spiega Jeremy Sakstein, professore di fisica all’Università delle Hawaii e uno degli autori della ricerca.

Della materia oscura, oggi sappiamo che esiste e come si comporta, ma non ancora che cosa sia esattamente. Negli ultimi cinquant’anni sono state formulate diverse ipotesi, ma finora nessuna ha raccolto prove sperimentali sufficienti a imporsi sulle altre. Studi come quello di Sakstein e colleghi sono importanti perché forniscono strumenti concreti per uscire da questa situazione di stallo.

Fra i candidati alla materia oscura più noti ci sono le Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), particelle molto pesanti che però interagiscono pochissimo con la materia ordinaria: attraversano la materia senza farsi notare, non rispondono alle forze elettromagnetiche (quindi non riflettono la luce e non si vedono) e si manifestano solo per gli effetti gravitazionali che esercitano. Proprio questo tipo di materia oscura sarebbe necessaria per rendere possibile l’esistenza delle nane oscure. “La materia oscura interagisce gravitazionalmente, quindi potrebbe interagire con le stelle, essere catturata e accumularsi al loro interno. E se questo accade, può interagire con se stessa e annichilirsi in energia visibile che può essere trasferita alla stella,” spiega Sakstein.

Le stelle ordinarie – come il nostro Sole – brillano perché al loro interno avvengono processi di fusione nucleare che producono grandi quantità di calore ed energia. La fusione si verifica quando la massa della stella è sufficientemente grande da far sì che le forze gravitazionali comprimano la materia verso il centro con sufficiente intensità da innescare le reazioni tra i nuclei atomici. Questo processo libera un’enorme quantità di energia che noi vediamo sotto forma di luce. Anche le dark dwarfs emettono luce, ma non grazie alla fusione nucleare. “Le dark dwarfs sono oggetti di massa molto bassa, circa l’8% della massa del Sole,” dice Sakstein. Una massa così ridotta non è sufficiente a far partire le reazioni di fusione. Per questo motivo, oggetti di questo tipo – pur molto comuni nell’universo – normalmente non emettono luce propria e sono noti agli scienziati come nane brune.

Se però le nane brune si trovano in regioni in cui la materia oscura è particolarmente abbondante – come il centro della nostra galassia – allora possono trasformarsi in qualcosa di diverso. “Questi oggetti raccolgono la materia oscura che li aiuta a diventare una dark dwarf. Più materia oscura hai intorno, più ne puoi catturare,” spiega Sakstein. “Più materia oscura finisce dentro la stella, più energia verrà prodotta attraverso la sua annichilazione.”

Tutto questo, però, presuppone un tipo specifico di materia oscura. “Perché le dark dwarfs possano esistere, la materia oscura deve essere composta da WIMP, o da qualunque particella pesante che interagisca con se stessa così fortemente da produrre materia visibile,” prosegue Sakstein. Altri candidati – come assioni, particelle ultraleggere “fuzzy” o neutrini sterili – sono tutti troppo leggeri per generare l’effetto previsto in questi oggetti. Solo particelle massicce, in grado di interagire tra loro e annichilirsi producendo energia visibile, potrebbero alimentare una dark dwarf.

Naturalmente, tutto questo ha poco valore se non esiste un modo concreto per identificare una dark dwarf. Per questo motivo, Sakstein e colleghi, nel loro articolo, propongono un marcatore distintivo: “C’erano alcuni possibili indicatori, ma noi abbiamo proposto il litio-7 perché sarebbe davvero un effetto unico, impossibile da imitare,” spiega lo scienziato. Il litio-7 brucia molto facilmente e viene rapidamente consumato nelle stelle ordinarie. “Quindi, se trovassi un oggetto che somiglia a una dark dwarf, potresti cercare la presenza di questo litio, perché non sarebbe presente se fosse una nana rossa o una nana bruna.”

Strumenti come il James Webb Space Telescope potrebbero già oggi essere in grado di rilevare oggetti celesti estremamente freddi come le dark dwarfs. Ma, secondo Sakstein, esiste anche un’altra possibilità: “L’altra cosa che si potrebbe fare è osservare un’intera popolazione di oggetti e chiedersi, in modo statistico, se sia meglio descritta includendo o escludendo la presenza di dark dwarfs.”

Se nei prossimi anni riuscissimo a individuare una o più dark dwarfs, quanto forte sarebbe l’indizio a favore dell’ipotesi che la materia oscura sia composta da WIMP? “Ragionevolmente forte. Con candidati leggeri come gli assioni, non credo sarebbe possibile ottenere qualcosa come una dark dwarf. Non si accumulano nelle stelle e agiscono più come una fonte di perdita energetica che come una fonte di energia. La conclusione più parsimoniosa, se trovassimo una dark dwarf, è che la materia oscura è probabilmente molto pesante, interagisce in modo ragionevolmente forte con se stessa, ma molto debolmente con il Modello Standard. Questo include sicuramente le WIMP, ma includerebbe anche alcune classi più esotiche,” conclude Sakstein. “Non significherebbe con certezza al 100% che si tratta di WIMP, ma direbbe che è o una WIMP, o qualcosa che, in pratica, si comporta come una WIMP.”