Nuove frontiere: trovare la materia oscura utilizzando gli esopianeti

Una nuova ricerca suggerisce che la materia oscura potrebbe essere rilevata sugli esopianeti.
Fino alla prima metà del secolo scorso si riteneva che la quasi totalità della massa dell’Universo risiedesse nelle stelle; oggi invece sappiamo che queste costituiscono soltanto il 4% della materia cosmica. La restante parte della massa dell’Universo non è visibile e a tale massa mancante si è dato il nome di Materia Oscura.
La materia oscura è uno dei misteri più grandi della moderna astronomia. Lo studio approfondito di stelle, galassie e ammassi di galassie da parte di astronomi e astrofisici a fatto nascere l’idea che l’Universo avesse molta più massa di quella che si riusciva a osservare attraverso le radiazioni elettromagnetiche.
Le galassie sono composte da un nucleo di stelle molto luminoso e massiccio attorno al quale ruotano le altre stelle, distribuite in maniera tale che la loro concentrazione diminuisce man mano che ci si allontana dal nucleo galattico. Negli anni ’70, l’astronoma Vera Rubin notò qualcosa particolare nel modo in cui ruotavano le galassie.
In una galassia, la velocità delle stelle che si trovano nella regione esterna al nucleo deve decrescere all’aumentare della distanza. Invece le osservazioni effettuate negli anni ’70 dall’astronoma Vera Rubin su centinaia di galassie hanno appurato che la velocità delle stelle più lontane dal nucleo era molto maggiore di quella attesa e inoltre non diminuiva con la distanza. Questo può essere spiegato solo se si assume che la galassia contenga della materia invisibile e non concentrata nel nucleo, la cui attrazione gravitazionale è responsabile del moto delle stelle.
Si ritiene che questa forma sfuggente di materia rappresenti l’80% di tutta la materia nell’universo. Si ritiene che in alcune situazioni, possa stabilirsi nel nucleo di un oggetto massiccio, rilasciando energia sotto forma di calore. Ora, una coppia di astronomi sta sostenendo un nuovo e audace programma di ricerca: trasformare la ricerca della vita extraterrestre in una caccia alla materia oscura.
Non sappiamo molto della materia oscura, ma la sua esistenza spiegherebbe molto del nostro universo. Nei decenni successivi alla scoperta della Rubin, si sono accumulati altri misteri. Il gas all’interno degli ammassi di galassie è troppo caldo. Le galassie si muovono troppo velocemente. L’universo ha troppe strutture su larga scala, data l’età dell’universo. La radiazione residua dell’universo primordiale è troppo irregolare per essere spiegata dalla sola materia normale. La luce proveniente da galassie di fondo distanti si incurva troppo fortemente quando passa vicino a massicci ammassi di galassie.
Per spiegare tutte queste stranezze, l’universo deve averci nascosto qualcosa di fondamentale. Quella che chiamiamo materia oscura può aggregarsi perché “sente” la gravità, ma non interagisce in modo significativo con la luce o la materia normale.
Sulla base di simulazioni computerizzate di ammassi di galassie, qualunque cosa sia la materia oscura, ci aspettiamo che sia più concentrata verso i centri delle galassie per diradasi quanto più ci si allontana da quei centri. Sono quelle differenze nella densità della materia oscura in una galassia che possono aiutare gli astronomi a identificare questa misteriosa sostanza. Se solo avessimo grandi rilevatori di materia oscura sparsi per la galassia.
Due ricercatori spiegano in un articolo che sparsi nella Via Lattea ci sono già a disposizione dei giganteschi rilevatori naturali di materia oscura. La loro ricerca è disponibile sulla rivista preprint arXiv. Conosciamo già migliaia di questi rilevatori, sono gli esopianeti in orbita a stelle lontane individuati con il telescopio spaziale Kepler e il satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). In effetti, le migliaia di esopianeti confermati conosciuti finora rappresentano solo una piccola percentuale di tutti i mondi possibili. Per la sola Via Lattea, le stime del numero reale di esopianeti vanno dall’estremo (300 miliardi) al ridicolo (1 trilione).
Sappiamo che la materia oscura difficilmente interagisce con la materia normale, o anche con se stessa. Quando interagisce, lo fa attraverso la forza nucleare debole. Quasi ogni volta che una particella di materia oscura e una particella di materia normale scivolano semplicemente l’una sull’altra non succede nulla. Ogni tanto però la materia oscura e la materia ordinaria possono interagire, consentendo alla particella di materia oscura di trasmettere parte della sua energia alla particella di materia normale, questo scambio la rallenta. Queste interazioni sono particolarmente comuni quando accadono due cose: c’è una grande e densa concentrazione di materia normale che funge da trappola gravitazionale per la materia oscura, e c’è molta materia oscura nei dintorni.
Questi due criteri potrebbero essere soddisfatti per tutti gli esopianeti vicino al centro della Via Lattea. La densità della materia oscura in quelle zone è molto più alta di quanto non sia intorno al sistema solare, e grandi pianeti delle dimensioni Giove o più potrebbero raccogliere particelle di materia oscura nei loro nuclei. Lo farebbero attraverso la loro forza di gravità: in ambienti ad alta densità, la materia normale può attrarre la materia oscura verso di essa.
Queste interazioni non solo rallenterebbero la materia oscura, ma riscalderebbero il pianeta. E a volte le particelle di materia oscura potrebbero occasionalmente interagire con se stesse, annichilendosi a vicenda in un breve lampo di energia. Questa energia sarebbe troppo debole per essere vista direttamente, ma nel corso di miliardi di anni i lampi prolungati di innumerevoli interazioni potrebbero fornire una fonte extra di calore al pianeta. Il risultato finale, secondo la ricerca: i pianeti più vicini al centro della galassia potrebbero subire una quantità significativa di riscaldamento dalla materia oscura, causando un aumento della temperatura di migliaia di gradi.
Per verificarlo, dobbiamo misurare le temperature di molti esopianeti. Per fortuna, questo è esattamente ciò che missioni come il James Webb Space Telescope (JWST), che raggiungerà lo spazio nell’ottobre 2021, sono progettate per fare.
I ricercatori hanno notato che il JWST ha una sensibilità appena sufficiente (sia nella registrazione delle temperature degli esopianeti che nella ricerca abbastanza vicino al loro centro galattico) che se questo effetto della materia oscura è reale, dovremmo essere in grado di vedere un riscaldamento distinto e notevole di quelli più vicini al centro galattico. Se le indagini andassero a buon fine, sarebbe il primo rilevamento non gravitazionale di materia oscura.
E nel processo di ricerca tra tutti quegli esopianeti, potremmo semplicemente scoprire la vita su un altro mondo, il che sarebbe un bel risultato.
Fonte: https://www.livescience.com/alien-planets-as-dark-matter-detectors.html