Gli scienziati potrebbero presto essere in grado di rilevare l’entità più misteriosa dell’universo, ovvero la materia oscura, utilizzando una flotta di satelliti di prossima generazione, suggerisce un nuovo studio teorico.
La materia oscura – una sostanza poco conosciuta che non emette, assorbe o riflette la luce ma esercita una chiara influenza gravitazionale su altra materia – domina l’universo. Nonostante sia più di cinque volte più abbondante nello spazio della materia ordinaria, la composizione e le proprietà della materia oscura rimangono del tutto sconosciute.
Per affrontare questo problema, Hyungjin Kim, un fisico teorico presso il centro tedesco dell’acceleratore di elettroni e sincrotroni (DESY), ha proposto di cercare particelle di materia oscura utilizzando rilevatori di onde gravitazionali, strumenti progettati per misurare sottili increspature nel tessuto dello spazio-tempo che sono stati inizialmente previsti da Albert Einstein.
La materia oscura come onde
Esistono molte ipotesi sulla natura delle particelle di materia oscura, che si accumulano in enormi quantità fino a formare i cosiddetti aloni nelle galassie. Nel nuovo articolo, pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Kim ha ipotizzato che queste particelle possano essere estremamente leggere, come prevedono molte teorie popolari sulla materia oscura.
“Le particelle ultraleggere appaiono comunemente in molte teorie oltre il modello standard”, ha dichiarato Kim. Alcune di queste particelle sono “candidati perfetti” per la materia oscura, sollevando alcune interessanti implicazioni su come potrebbe comportarsi l’entità sfuggente.
“A differenza di altri candidati alla materia oscura ‘particella’, le particelle di materia oscura ultraleggera si comportano in modo più simile alle onde elettromagnetiche classiche”, ha ha aggiunto.
Le proprietà ondulatorie della materia oscura potrebbero portare a comportamenti inaspettati. In particolare, recenti studi teorici suggeriscono che la densità della stessa all’interno di un alone galattico dovrebbe subire cambiamenti casuali, spingendo intere galassie e lasciando potenzialmente sottili indizi sulla sua composizione.
“Immaginiamo le onde nell’oceano: vediamo continuamente che ci sono fluttuazioni sulla superficie e che si evolvono in modi imprevedibili”, ha spiegato Kim. “Lo stesso potrebbe accadrebbe nell’alone di materia oscura ultraleggera”, con le fluttuazioni risultanti che potrebbero estendersi milioni di volte la distanza tra la Terra e il Sole, ha aggiunto.
Se la materia oscura fosse ultraleggera e si comportasse davvero come un’onda, allora gli scienziati potrebbero potenzialmente rilevarne i movimenti con rilevatori di onde gravitazionali.
I rilevatori di onde gravitazionali vengono in soccorso
Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo.
Quando un’onda di questo tipo attraversa un rilevatore di onde gravitazionali, altera la geometria dello spazio al suo interno, modificando temporaneamente la distanza tra due specchi o altri oggetti simili posti all’interno del rilevatore. Questo minuscolo cambiamento consente agli scienziati di rilevare la presenza dell’onda gravitazionale.
Nel suo studio, Kim ha suggerito che questa distanza potrebbe essere alterata non solo da un’onda gravitazionale ma anche da una fluttuazione della materia oscura in movimento, che potrebbe attrarre gli specchi con il suo campo gravitazionale proprio come la Terra attira i corpi celesti che viaggiano attorno a sé.
“Queste fluttuazioni si muovono in modo casuale all’interno del sistema solare e bombardano continuamente i rilevatori di onde gravitazionali”, ha affermato.
Per vedere se i moderni rilevatori di onde gravitazionali possono teoricamente rilevare l’influenza della materia oscura ultraleggera, Kim ha calcolato come le particelle di materia oscura di varie dimensioni potrebbero perturbare lo spazio-tempo. Il fisico teorico ha dovuto esplorare un ampio intervallo di masse, da circa 16 a 28 ordini di grandezza inferiori alla massa di un elettrone.
La sua analisi teorica ha mostrato che per tutte queste masse, i rilevatori esistenti come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO ), che ha contribuito a dimostrare l’esistenza delle onde gravitazionali nel 2015, non sarebbero in grado di rilevare le fluttuazioni della materia oscura poiché la loro sensibilità è troppo bassa.
I ricercatori hanno dichiarato che ci saranno diversi progetti per futuri rilevatori di onde gravitazionali che saranno collocati nello spazio, e la distanza tra i loro satelliti non sarà di diversi chilometri, come la distanza tra gli specchi di LIGO, ma circa un milione di volte più grande. Se questa distanza cambiasse anche di una piccola frazione, l’entità del cambiamento dovrebbe essere così grande da rendere misurabile l’influenza della materia oscura.
“Quello che ho scoperto è che il bombardamento delle fluttuazioni della materia oscura potrebbe lasciare un segnale distintivo nei rilevatori di onde gravitazionali, e potenzialmente i futuri rilevatori spaziali potrebbero essere in grado di testarne l’ipotesi”, ha detto Kim. “La mia proposta si basa su futuri rilevatori di onde gravitazionali spaziali, come l’antenna spaziale interferometro laser (LISA)”.
Con il lancio di LISA attualmente previsto per la metà degli anni ’30 del nostro secolo, questa teoria potrebbe richiedere più di un decennio prima di essere verificabile. Tuttavia, ha aggiunto Kim, nel frattempo potrebbero esserci altri modi per rilevare l’influenza della materia oscura sullo spazio-tempo.
