Forse abbiamo rilevato una fusione di stelle di bosoni

Un team internazionale di scienziati guidato dall’Istituto galiziano di fisica delle alte energie e dall’Università di Aveiro, tra cui uno studente universitario del Dipartimento di Fisica dell’Università cinese di Hong Kong (CUHK), ha proposto la collisione di due oggetti esotici compatti noti come stelle di bosoni come spiegazione alternativa dell’origine dell’onda gravitazionale GW190521. 

Queste ipotetiche stelle sono tra i più semplici oggetti esotici compatti proposti e sono considerati tra i candidati più probabili per la materia oscura. Sulla base di questa interpretazione, il team ha potuto stimare la massa di una nuova particella costituente di queste stelle, un bosone ultraleggero con una massa miliardi di volte inferiore a quella dell’elettrone. La loro analisi è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters il 24 febbraio 2021.

Il team era co-guidato dal Dr. Juan Calderón Bustillo, un ex professore del Dipartimento di Fisica del CUHK e ora “La Caixa Junior Leader – Marie Curie Fellow“, presso l’Istituto galiziano di fisica delle alte energie, e dal Dr. Nicolás Sanchis -Gual, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Aveiro e presso l’Instituto Superior Técnico (Università di Lisbona). 

Altri collaboratori provenivano dall’Università di Valencia, dall’Università di Aveiro e dalla Monash University. Ha partecipato anche Samson Hin Wai Leong, uno studente del secondo anno al CUHK.

Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spaziotempo che viaggiano alla velocità della luce. 

Previste nella Teoria della Relatività Generale di Einstein, sono generate dagli eventi più violenti dell’Universo, portando informazioni sulle loro fonti. Dal 2015, i rivelatori avanzati del Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) e Virgo hanno osservato circa 50 segnali di onde gravitazionali originati dalla coalescenza e dalla fusione di due delle entità più misteriose dell’Universo: i buchi neri e le stelle di neutroni.

Nel settembre 2020, LVC, l’ente congiunto costituita dalla LIGO Scientific Collaboration e dalla Virgo Collaboration, ha annunciato la rilevazione del segnale di onde gravitazionali GW190521. 

Secondo l’analisi LVC, in cui era profondamente coinvolto il gruppo CUHK guidato dal professor Tjonnie Li, professore associato del Dipartimento di Fisica presso CUHK, il segnale era coerente con la collisione di due buchi neri di 85 e 66 volte la massa del Sole, in grado di produrre un buco nero di 142 masse solari. 

Quest’ultimo sarebbe il primo membro mai individuato di una nuova famiglia di buchi neri: i buchi neri di massa intermedia. Secondo il professor Tjonnie Li, questa scoperta è stata di fondamentale importanza perché tali buchi neri, già teorizzati, erano stati a lungo considerati l’anello mancante tra i buchi neri di massa stellare, che si formano dal collasso delle stelle, ed i buchi neri supermassicci che si nascondono al centro di quasi ogni galassia.

Stelle di bosoni

Nonostante il suo significato, l’osservazione di GW190521 pone un’enorme sfida all’attuale comprensione dell’evoluzione stellare, perché uno dei buchi neri uniti ha una dimensione “proibita”. 

La spiegazione alternativa proposta dal team porta lo studio in una nuova direzione. 

Il dottor Nicolás Sanchis-Gual ha spiegato: “Le stelle di bosoni sono oggetti compatti quasi quanto i buchi neri ma, a differenza di questi ultimi, non hanno una superficie senza ritorno o un orizzonte degli eventi“. 

“Quando si scontrano, formano una stella di bosoni che può diventare instabile, fino a collassare in un buco nero e produrre un segnale coerente con quanto osservato da LVC lo scorso anno. A differenza delle stelle normali, che sono fatte di ciò che comunemente conosciamo come materia, le stelle di bosoni sono costituite da bosoni ultraleggeri“.

Il team ha confrontato il segnale GW190521 con simulazioni al computer di fusioni di stelle di bosoni e ha scoperto che queste spiegano effettivamente i dati leggermente meglio dell’analisi condotta da LVC. Il risultato implica che la sorgente avrebbe proprietà diverse da quelle dichiarate in precedenza. 

Il dottor Juan Calderón Bustillo ha detto: “In primo luogo, non parleremmo più della collisione di buchi neri, il che elimina il problema di trattare con un buco nero proibito. In secondo luogo, poiché le fusioni tra stelle di bosoni sono molto più deboli, deduciamo una distanza molto più vicina di quella stimata da LVC. Questo porta a una massa molto più grande per il buco nero finale, di circa 250 masse solari, quindi il fatto che abbiamo assistito alla formazione di un buco nero di massa intermedia rimane vero“.

Il professor Toni Font, dell’Università di Valencia e uno dei coautori, ha spiegato che anche se l’analisi tende a favorire “by design” l’ipotesi della fusione dei buchi neri, una fusione di stelle di bosoni è in realtà leggermente preferita dai dati, sebbene in un modo non conclusivo. 

Nonostante il quadro computazionale delle attuali simulazioni di stelle di bosoni sia ancora piuttosto limitato e soggetto a importanti miglioramenti, il team svilupperà ulteriormente un modello più evoluto e studierà simili osservazioni di onde gravitazionali sotto l’ipotesi di fusione di stelle di bosoni.

Secondo un altro coautore, il professor Carlos Herdeiro dell’Università di Aveiro, la scoperta non riguarda solo la prima osservazione di stelle di bosoni, ma anche quella del loro elemento costitutivo, una nuova particella nota come bosone ultraleggero. 

I bosoni ultraleggeri sono stati proposti come costituenti di ciò che conosciamo come materia oscura. Inoltre, il team può effettivamente misurare la massa di questa presunta nuova particella di materia oscura e un valore zero viene scartato con grande sicurezza. Se sarà confermato da successive analisi di GW190521 e da altre osservazioni di onde gravitazionali, il risultato fornirebbe la prima prova osservativa per un candidato della materia oscura.

Samson Hin Wai Leong, uno studente che ha aderito al programma di stage estivo di ricerca universitaria di CUHK, ha aggiunto: “Ho lavorato con il professor Calderón Bustillo alla progettazione del software di questo progetto, che ha accelerato con successo i calcoli dello studio, e alla fine siamo stati in grado di rilasciare i nostri risultati immediatamente dopo che LVC ha pubblicato la propria analisi. È emozionante lavorare alla frontiera della fisica con un team multiculturale e pensare alla ricerca di un’origine “più oscura” delle increspature nello spaziotempo, dimostrando allo stesso tempo l’esistenza di una particella di materia oscura“.