Le stelle di neutroni con una tendenza alla rotazione estrema potrebbero produrre una delle particelle più ricercate nell’Universo. Queste particelle elementari sono chiamate assioni e, a oggi, sono puramente ipotetiche. Se riuscissimo a trovarle, però, potremmo risolvere alcuni dei più grandi problemi del cosmo, tra cui l’identità di almeno un tipo di materia oscura.
Assioni: saranno ancora particelle puramente ipotetiche?
Queste stelle che ruotano rapidamente dovrebbero essere così efficienti nell’intrappolare gli assioni che le particelle elusive potrebbero essere sequestrate in quantità sufficientemente elevate da essere finalmente rilevate, e questo ci darebbe alcuni indizi importanti sulla natura e le proprietà dell’assione, come la sua massa.
Gli astronomi sono alla ricerca di indizi su queste particelle da quando i fisici ne hanno ipotizzato l’esistenza negli anni ’70. Un po’ come i neutrini, si pensa che interagiscano debolmente con altra materia, il che li rende difficili da rilevare.
Se però rientrano in un certo intervallo di massa, si prevede che si comportino esattamente come la materia oscura, contribuendo a effetti gravitazionali pronunciati che non possono essere spiegati basandosi esclusivamente sulla quantità di materia normale presente nell’Universo.
Teoricamente, ci si aspetta che gli essi decadano facilmente in coppie di fotoni in presenza di un campo magnetico sufficientemente forte, rendendoli effettivamente visibili. Scoprire un eccesso di luce senza una fonte facilmente determinabile vicino a un campo magnetico potente potrebbe essere solo un segno del loro decadimento.
Le stelle di neutroni hanno campi magnetici incredibilmente pesanti. Questi oggetti sono i nuclei di stelle massicce che sono diventate supernovae, collassando in masse calde e ultradense così compresse insieme che si comportano molto come un singolo nucleo atomico delle dimensioni di una città.
Il campo magnetico che si sviluppa da questo oggetto è trilioni di volte più potente di quello della Terra, abbastanza forte da ucciderci, se prima non ci fossero state altre caratteristiche delle stelle di neutroni.
Una pulsar è un tipo di stella di neutroni con un’aggiunta: ruota a velocità follemente elevate, spesso nell’ordine dei millisecondi. Mentre lo fa, potenti fasci di emissione radio esplodono dai poli della pulsar, tanto che sembra pulsare nello spazio come un faro cosmico. Quella rotazione ha un altro effetto: sembra aumentare la potenza del campo magnetico della stella di neutroni..
Lo studio
Il fisico Dion Noordhuis dell’Università di Amsterdam e i suoi colleghi hanno pubblicato uno studio in cui hanno scoperto che queste stelle che ruotano rapidamente sono in grado di produrre un numero di assioni di 50 cifre al minuto. Mentre sfuggono alla stella, questi assioni attraverserebbero il suo campo magnetico e si trasformerebbero in fotoni, rendendo la pulsar solo un po’ più luminosa di quanto dovrebbe essere.
Analizzando un certo numero di pulsar, non sono stati in grado di rilevare alcuna luce extra. Questo non significa che queste particelle ipotetiche non ci siano, solo che, se gli assioni sono presenti, ci sono limitazioni più severe sul segnale che possono produrre.
Anche gli assioni intrappolati dall’estrema gravità della stella dovrebbero produrre un segnale, secondo un nuovo studio che prosegue la ricerca precedente. Nel tempo, forse in milioni di anni, gli assioni dovrebbero accumularsi vicino alla pulsar, durando per tutta la vita della stella di neutroni, producendo uno strato debole e nebuloso sulla superficie della stella.
Secondo l’analisi del team, queste nubi, se esistono, dovrebbero essere normali per le stelle di neutroni, il che significa che sono presenti al massimo, se non tutte. E dovrebbero essere estremamente dense, circa 20 ordini di grandezza superiori alla densità locale della materia oscura, il che significa che dovrebbero a loro volta produrre una firma rilevabile quando i fotoni fuoriescono.
Non sappiamo con certezza quale forma assumerebbe questa firma, ma il team ha avanzato due possibilità principali. Una è un segnale continuo, una linea stretta nello spettro radio della pulsar a una frequenza corrispondente alla massa dell’assione. Non sappiamo quale sia questa massa, ma l’assenza della linea nello spettro potrebbe restringerla.
L’altro è un’esplosione di luce alla fine della durata di vita della stella di neutroni, il punto in cui smette di emettere radiazioni. Si prevede che questo processo duri naturalmente trilioni di anni. L’Universo non è ancora abbastanza vecchio perché questo sia avvenuto, quindi è improbabile che osserveremo presto delle esplosioni di assioni da stelle di neutroni morenti. Questo rende il segnale continuo la scommessa migliore.
Conclusioni
Come per la luce in eccesso, i ricercatori non sono stati in grado di trovare prove di una nube di assioni di stelle di neutroni attorno alle pulsar vicine, ma la mancata rilevazione ha consentito i vincoli più forti finora sulla massa dell’assione entro un certo intervallo, senza basarsi sul presupposto che gli assioni siano materia oscura.
Lo studio apre anche la strada a ricerche future, offrendoci nuovi modi per cercare e comprendere le proprietà di questa misteriosa e sfuggente particella.
La ricerca è stata pubblicata su Physical Review X.
