Un rilevatore di materia oscura grande come Giove

Stiamo dando la caccia alla materia oscura, ma per ora non abbiamo a disposizione un rilevatore in grado di scoprirla. 

Ma forse esiste una soluzione, trovare un rilevatore di materia oscura molto grande, anzi enorme, ma dove? Nel nostro sistema solare e il rilevatore di materia oscura migliore potrebbe essere Giove, il signore dei pianeti che con la sua massa “pesa” due volte e mezzo gli altri sette pianeti messi insieme.

I ricercatori Rebecca Leane (Stanford) e Tim Linden (Stoccolma) hanno pubblicato questa settimana un articolo che descrive come il gigante Giove potrebbe essere utilizzato un enorme rilevatore di materia oscura.

La natura della materia oscura è uno dei più grandi misteri della fisica contemporanea. Interagisce gravitazionalmente, possiamo misurarne gli effetti mentre tiene insieme galassie che altrimenti si disgregherebbero, ma non sembra interagire con la materia ordinaria attraverso lo scambio di fotoni. Più che oscura si comporta come se fosse “trasparente” alle radiazioni elettromagnetiche.

Le teorie più in voga per spiegarne la natura sfuggente ipotizzano che la materia oscura sia composta da qualche tipo di particella troppo leggera o che interagisce troppo debolmente con la materia ordinaria per essere osservata. 

Per scoprire la materia oscura sono stati utilizzati gli acceleratori di particelle, macchine che accelerano e fanno collidere fasci di particelle ad alta energia. I ricercatori sperano di rilevare quantità inaspettate di energia mancanti dalle collisioni, il che suggerirebbe che una particella non ancora nota stia sfuggendo al rilevatore di materia oscura. Finora i ricercatori non hanno avuto fortuna.

Tuttavia la materia oscura dovrebbe esistere anche in natura e potrebbe essere catturata gravitazionalmente da oggetti con pozzi gravitazionali abbastanza profondi, come la Terra, il Sole o Giove. Con il trascorrere del tempo la materia oscura potrebbe accumularsi all’interno di un pianeta o all’interno di una stella che potremmo utilizzare come un gigantesco rilevatore di materia oscura.

Quando verrà raggiunta una densità sufficiente da consentire a una particella di materia oscura di colpirne un’altra, queste si annichilerebbero. Anche se non possiamo vedere la materia oscura, dovremmo vedere i risultati di una collisione tra le particelle che la costituiscono. La collisione rilascerebbe radiazioni ad alta energia sotto forma di raggi gamma.

Rilevatore di materia oscura gigante

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, è stato inviato nello spazio nel 2008 a bordo di un razzo Delta II. Da oltre dieci anni sta studiando la volta celeste alla ricerca di sorgenti di raggi gamma. I ricercatori Leane e Linden hanno utilizzato il telescopio per osservare Giove e hanno realizzato la prima analisi in assoluto dell’emissione dei raggi gamma del gigante del sistema solare. 

I ricercatori speravano di trovare le prove dell’esistenza della materia oscura misurando un eccesso di raggi gamma prodotti dall’annichilamento delle particelle esotiche all’interno di Giove che avrebbe funzionato come un gigantesco rilevatore di materia oscura.

Secondo Leane, le dimensioni e la temperatura di Giove lo rendono un rilevatore di materia oscura perfetto. Giove infatti ha una superficie ampia rispetto agli altri pianeti del sistema solare e grazie alla sua massa può attrarre molta più materia oscura. Il pianeta gigante è quindi ideale per questo tipo di ricerca.

Giove offre anche un’altro vantaggio ha un nucleo più freddo del nucleo del Sole, e questo dà alle particelle di materia oscura meno spinta termica. Questo, almeno in parte, può impedire alla materia oscura più chiara di evaporare da Giove.

Il lavoro iniziale di Leane e Linden sul gigante del sistema solare Giove non ha ancora rilevato alcuna traccia di materia oscura. Tuttavia, è stato registrato un interessante eccesso di raggi gamma a bassi livelli di energia. Per studiare questo flebile eccesso saranno necessari strumenti adeguati.

In futuro spiegano i ricercatori, sarà interessante vedere se i prossimi telescopi per raggi gamma MeV, AMEGO ed e-ASTROGAM troveranno raggi gamma su Giove, specialmente all’estremità inferiore delle analisi, dove le prestazioni del telescopio Fermi non sono ottimali.

Entrambi i telescopi AMEGO ed e-ASTROGRAM sono ancora allo studio, ma potrebbero essere gli strumenti necessari per trovare la materia oscura, e Giove potrebbe essere il rilevatore di materia oscura adatto.

Leane e un un collega, Juri Smirnov (Ohio State), ritengono che una tecnica simile potrebbe essere applicata utilizzando esopianeti simili a Giove oppure le nane brune come rilevatori di materia oscura

Gli esopianeti e le nane brune più vicini al centro della galassia, dove la densità di materia oscura è più elevata, dovrebbero apparire più caldi nell’infrarosso rispetto a pianeti e stelle più distanti, a causa dell’annichilazione della materia oscura maggiormente presente nei loro nuclei. Il James Webb Space Telescope potrebbe essere capace di effettuare un’indagine a infrarossi di un numero sufficiente di pianeti per confermare la teoria.

La scoperta della materia oscura segnerebbe un grande progresso nella comprensione dell’universo. Non sappiamo se questo nuovo metodo sarà quello giusto, ma i prossimi strumenti messi a disposizione dall’evoluzione tecnologica ci daranno una risposta.