Un team di ricercatori ha scoperto un collegamento tra alcuni degli oggetti più grandi e più piccoli del Cosmo: i buchi neri supermassicci e le particelle di materia oscura.
Collegamento tra i buchi neri supermassicci e le particelle di materia oscura
I nuovi calcoli degli studiosi hanno rivelato che coppie di buchi neri supermassicci (SMBH) possono fondersi in un unico buco nero più grande a causa del comportamento delle particelle di materia oscura, precedentemente trascurato, proponendo una soluzione al rinomato “problema del parsec finale” in astronomia.
La ricerca è stata descritta nell’articolo “Self-interacting dark matter solves the final parsec problem of supermassive black hole mergers”, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
Lo studio
Nel 2023, gli astrofisici hanno annunciato la rilevazione di un “ronzio” di onde gravitazionali che permea l’Universo. Hanno ipotizzato che questo segnale di fondo provenisse da milioni di coppie di buchi neri supermassicci in fusione, ciascuna miliardi di volte più massiccia del nostro Sole.
Le simulazioni teoriche hanno dimostrato che quando coppie di questi enormi oggetti celesti si avvicinano spiraleggiando, il loro avvicinamento si blocca quando si trovano a circa un parsec di distanza, una distanza di circa tre anni luce, impedendo così una fusione.
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Questo “problema del parsec finale” non solo era in conflitto con la teoria secondo cui la fusione di buchi neri supermassicci fosse la fonte delle onde gravitazionali di fondo, ma era anche in contrasto con la teoria secondo cui i buchi neri supermassicci derivano dalla fusione di buchi neri meno massicci.
“Abbiamo mostrato che includere l’effetto della materia oscura, precedentemente trascurato, può aiutare i buchi neri supermassicci a superare questo ultimo parsec di separazione e a fondersi”, ha affermato il coautore dell’articolo Gonzalo Alonso-Álvarez, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Toronto e il Dipartimento di Fisica e il Trottier Space Institute presso la McGill University: “I nostri calcoli spiegano come questo può accadere, in contrasto con quanto si pensava in precedenza”.
Tra i coautori dell’articolo figurano il Professor James Cline della McGill University e del Dipartimento di fisica teorica del CERN in Svizzera e Caitlyn Dewar, ricercatrice in fisica alla McGill.
Si pensa che gli SMBH si trovino al centro della maggior parte delle galassie e quando due galassie si scontrano, gli SMBH cadono in orbita l’uno attorno all’altro. Mentre ruotano l’uno attorno all’altro, l’attrazione gravitazionale delle stelle vicine li tira e li rallenta. Di conseguenza, gli SMBH si muovono a spirale verso l’interno verso una fusione.
I precedenti modelli di fusione hanno mostrato che quando i buchi neri supermassicci si avvicinavano a circa un parsec, iniziavano a interagire con la nube o alone di materia oscura in cui erano immersi. Hanno indicato che la gravità degli SMBH a spirale lancia le particelle di materia oscura lontano dal sistema e la conseguente scarsità di materia oscura significa che l’energia non viene estratta dalla coppia e le loro orbite reciproche non si restringono più.
Mentre quei modelli hanno respinto l’impatto della materia oscura sulle orbite degli SMBH, il nuovo modello di Alonso-Álvarez e colleghi ha rivelato che le particelle di materia oscura interagiscono tra loro in modo tale da non essere disperse.
La densità dell’alone di materia oscura rimane sufficientemente elevata da far sì che le interazioni tra le particelle e i buchi neri supermassicci continuino a degradare le orbite degli SMBH, aprendo la strada a una fusione.
“La possibilità che le particelle di materia oscura interagiscano tra loro è un’ipotesi che abbiamo fatto, un ingrediente extra che non tutti i modelli di materia oscura contengono“, ha spiegato Alonso-Álvarez: “La nostra argomentazione è che solo i modelli con quell’ingrediente possono risolvere il problema finale del parsec“.
Il ronzio di fondo generato da queste colossali collisioni cosmiche è costituito da onde gravitazionali di lunghezza d’onda molto più lunga di quelle rilevate per la prima volta nel 2015 dagli astrofisici che gestiscono il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Quelle onde gravitazionali sono state generate dalla fusione di due buchi neri, entrambi circa 30 volte la massa del Sole.
Il ronzio di fondo è stato rilevato negli ultimi anni dagli scienziati che gestiscono il Pulsar Timing Array. L’array rivela onde gravitazionali misurando piccole variazioni nei segnali delle pulsar, stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono forti impulsi radio.
“Una previsione della nostra proposta è che lo spettro delle onde gravitazionali osservato dai pulsar timing array dovrebbe essere attenuato a basse frequenze“, ha aggiunto Cline: “I dati attuali accennano già a questo comportamento e nuovi dati potrebbero essere in grado di confermarlo nei prossimi anni”.
Oltre a fornire informazioni sulle fusioni di buchi neri supermassicci e sul segnale di fondo delle onde gravitazionali, il nuovo risultato apre anche una finestra sulla natura della materia oscura.
Conclusioni
“Il nostro lavoro è un nuovo modo per aiutarci a comprendere la natura particellare della materia oscura“, ha specificato Alonso-Álvarez: “Abbiamo scoperto che l’evoluzione delle orbite dei buchi neri è molto sensibile alla microfisica della materia oscura e questo significa che possiamo usare le osservazioni delle fusioni di buchi neri supermassicci per comprendere meglio queste particelle”.
Ad esempio, i ricercatori hanno scoperto che le interazioni tra le particelle di materia oscura da loro modellate spiegano anche le forme degli aloni di materia oscura galattica.
“Abbiamo scoperto che il problema del parsec finale può essere risolto solo se le particelle di materia oscura interagiscono a una velocità che può alterare la distribuzione della materia oscura su scale galattiche“, ha concluso Alonso-Álvarez: “Questo è stato inaspettato poiché le scale fisiche a cui si verificano i processi sono distanti tre o più ordini di grandezza”.
