Le stelle di neutroni potrebbero aiutarci a capire cos’è la materia oscura

La materia oscura costituisce l’85% della materia presente nel nostro Universo, ma non riusciamo a vederla, perché non interagisce con la luce: non la assorbe, non la riflette, non la emette. Ciò significa che i nostri telescopi non possono osservarla direttamente. Quindi, è la sua attrazione gravitazionale sugli oggetti che possiamo vedere a suggerirci che deve esserci, e dove.

Gli esperimenti sulla Terra per riuscire a rilevarla sono limitati dalle difficoltà tecniche di realizzare rivelatori sufficientemente grandi. In nostro aiuto, però, potrebbero venire le stelle di neutroni, enormi rivelatori naturali di materia oscura.

In uno studio recente, i fisici dell’ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics, guidati dall’Università di Melbourne, hanno calcolato che l’energia trasferita quando le particelle di materia oscura si scontrano e si annichiliscono all’interno di stelle di neutroni morte e fredde può riscaldare le stelle molto rapidamente.

In precedenza si pensava che questo trasferimento di energia potesse richiedere tempi molto lunghi, in alcuni casi superiori all’età dell’Universo stesso, rendendo questo riscaldamento irrilevante. I nuovi calcoli, tuttavia, mostrano per la prima volta che la maggior parte dell’energia verrebbe depositata in pochi giorni.

Materia oscura intrappolata nelle stelle di neutroni

Le stelle di neutroni si formano quando una stella supermassiccia esaurisce il combustibile nel suo nucleo, e collassa su se stessa. Hanno in genere una massa simile a quella del nostro Sole, schiacciata in una sfera larga appena 20 km. Se fossero più dense, diventerebbero buchi neri, ma sono comunque molto, molto dense.

In linea generale, la materia oscura è molto difficile da rilevare perché le sue interazioni con la materia ordinaria sono molto deboli. Così deboli che la materia oscura può passare direttamente attraverso la Terra o addirittura attraverso il Sole. Tuttavia, con le stelle di neutroni è diverso: sono così dense che le particelle di materia oscura hanno molte più probabilità di interagire con la stella.

Se le particelle di materia oscura si scontrano con i neutroni della stella, perdono energia e rimangono intrappolate. Se il trasferimento di energia avviene abbastanza rapidamente, e se il numero di collisioni tra materia oscura e gas nella stella è sufficientemente alto, viene trasferita sempre più energia. Nel tempo, questo porterebbe a un accumulo di materia oscura nella stella.

Secondo i ricercatori dell’Università di Melbourne, questo processo dovrebbe riscaldare le fredde stelle di neutroni a un livello tale da poterle osservare con i nostri telescopi. O addirittura, tale da innescare il collasso della stella in un buco nero.

Tempi scala molto più brevi del previsto

Ma questo, gli scienziati già lo avevano scoperto. Ciò che non sapevano era quanto tempo sarebbe stato necessario per tale processo. Infatti, quando l’energia delle particelle di materia oscura diventa sempre più piccola, è sempre meno probabile che interagiscano di nuovo.

Di conseguenza, si pensava che trasferire tutta l’energia richiedesse un tempo molto lungo, anche superiore all’età dell’Universo. Invece, i ricercatori hanno calcolato che il 99% dell’energia viene trasferito in pochi giorni.

Questa è una buona notizia, spiegano gli scienziati: significa che la materia oscura può riscaldare le stelle di neutroni a un livello potenzialmente rilevabile, su tempi scala a noi convenienti. Di conseguenza, l’osservazione di una stella di neutroni fredda fornirebbe informazioni vitali sulle interazioni tra la materia ordinaria e quella oscura, facendo luce sulla natura di quest’ultima.

Lo studio, pubblicato nel Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, è reperibile qui.