Roma – I rilevatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo hanno rilevato una popolazione di buchi neri massicci la cui origine è uno dei più grandi misteri dell’astronomia moderna. Secondo un’ipotesi, questi oggetti potrebbero essersi formati nell’Universo primordiale e costituire la materia oscura, una sostanza misteriosa che riempie l’Universo. Un team di scienziati dell’indagine OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) dell’Osservatorio Astronomico dell’Università di Varsavia ha annunciato i risultati di osservazioni durate quasi 20 anni che indicano che buchi neri così massicci potrebbero comprendere al massimo una piccola percentuale di massa oscura. questione. Un’altra spiegazione, quindi, è necessaria per le sorgenti di onde gravitazionali. I risultati dello studio sono stati pubblicati in due articoli, su Nature e sull’Astrophysical Journal Supplement Series .
Varie osservazioni astronomiche indicano che la materia ordinaria, che possiamo vedere o toccare, costituisce solo il 5% della massa totale e del bilancio energetico dell’Universo. Nella Via Lattea, per ogni kg di materia ordinaria nelle stelle, ci sono 15 kg di “materia oscura”, che non emette luce e interagisce solo attraverso la sua attrazione gravitazionale.
Eventi di microlente attesi e osservati da parte di oggetti massicci verso la Grande Nube di Magellano vista attraverso l’alone della Via Lattea. Se la materia oscura nell’Universo fosse costituita da presunti buchi neri primordiali, durante l’indagine OGLE negli anni 2001-2020 verrebbero rilevati oltre 500 eventi di microlente. In realtà, il progetto OGLE ha registrato solo 13 rilevamenti di eventi di microlente, molto probabilmente causati da stelle regolari. Credito: J. Skowron / OGLE. Immagine di sfondo della Grande Nube di Magellano: generata con bsrender scritto da Kevin Loch, utilizzando il database ESA/Gaia
CREDITO
Credito: J. Skowron / OGLE. Immagine di sfondo della Grande Nube di Magellano: generata con bsrender scritto da Kevin Loch, utilizzando il database ESA/Gaia
“La natura della materia oscura rimane un mistero. La maggior parte degli scienziati pensa che sia composto da particelle elementari sconosciute”, afferma il dott. Przemek Mróz dell’Osservatorio Astronomico dell’Università di Varsavia, autore principale di entrambi gli articoli. “Purtroppo, nonostante decenni di sforzi, nessun esperimento (compresi quelli condotti con il Large Hadron Collider) ha trovato nuove particelle che potrebbero essere responsabili della materia oscura”.
Dalla prima rilevazione di onde gravitazionali provenienti da una coppia di buchi neri in fusione nel 2015, gli esperimenti LIGO e Virgo hanno rilevato più di 90 eventi di questo tipo. Gli astronomi hanno notato che i buchi neri rilevati da LIGO e Virgo sono in genere significativamente più massicci (20-100 masse solari) rispetto a quelli precedentemente noti nella Via Lattea (5-20 masse solari).
“Spiegare perché queste due popolazioni di buchi neri sono così diverse è uno dei più grandi misteri dell’astronomia moderna”, afferma il dott. Mróz.
Una possibile spiegazione postula che i rilevatori LIGO e Virgo abbiano scoperto una popolazione di buchi neri primordiali che potrebbero essersi formati nell’Universo primordiale. La loro esistenza fu proposta per la prima volta oltre 50 anni fa dal famoso fisico teorico britannico Stephen Hawking e, indipendentemente, dal fisico sovietico Yakov Zeldovich.
“Sappiamo che l’Universo primordiale non era idealmente omogeneo: piccole fluttuazioni di densità hanno dato origine alle galassie e agli ammassi di galassie attuali”, afferma il dott. Mróz. “Simili fluttuazioni di densità, se superano un contrasto di densità critico, potrebbero collassare e formare buchi neri”.
Sin dalla prima rilevazione delle onde gravitazionali, sempre più scienziati hanno ipotizzato che tali buchi neri primordiali possano comprendere una frazione significativa, se non tutta, della materia oscura.
Fortunatamente questa ipotesi può essere verificata con le osservazioni astronomiche. Osserviamo che nella Via Lattea esistono abbondanti quantità di materia oscura. Se fosse composto da buchi neri, dovremmo essere in grado di rilevarli nelle nostre vicinanze cosmiche. È possibile questo, dato che i buchi neri non emettono alcuna luce rilevabile?
Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, la luce può essere deviata e deviata nel campo gravitazionale di oggetti massicci, un fenomeno chiamato microlente gravitazionale.
“Il microlensing si verifica quando tre oggetti – un osservatore sulla Terra, una fonte di luce e una lente – si allineano virtualmente idealmente nello spazio”, afferma il prof. Andrzej Udalski, il ricercatore principale dell’indagine OGLE. “Durante un evento di microlente, la luce della sorgente può essere deviata e ingrandita e osserviamo un temporaneo schiarimento della luce della sorgente.”
La durata dell’illuminamento dipende dalla massa dell’oggetto lente: maggiore è la massa, più lungo è l’evento. Gli eventi di microlente da parte di oggetti di massa solare durano in genere diverse settimane, mentre quelli di buchi neri che sono 100 volte più massicci del Sole durerebbero alcuni anni.
L’idea di utilizzare la microlente gravitazionale per studiare la materia oscura non è nuova. Fu proposto per la prima volta negli anni ’80 dal famoso astrofisico polacco Bohdan Paczyński. La sua idea ha ispirato l’avvio di tre grandi esperimenti: il polacco OGLE, l’americano MACHO e il francese EROS. I primi risultati di questi esperimenti hanno dimostrato che i buchi neri meno massicci di una massa solare possono comprendere meno del 10% della materia oscura. Queste osservazioni, tuttavia, non erano sensibili a eventi di microlente su scala temporale estremamente lunga e, quindi, non erano sensibili a buchi neri massicci, simili a quelli recentemente rilevati con rilevatori di onde gravitazionali.
Nel nuovo articolo dell’Astrophysical Journal Supplement Series , gli astronomi OGLE presentano i risultati di quasi 20 anni di monitoraggio fotometrico di quasi 80 milioni di stelle situate in una galassia vicina, chiamata Grande Nube di Magellano, e le ricerche di eventi di microlente gravitazionale. I dati analizzati sono stati raccolti durante la terza e la quarta fase del progetto OGLE dal 2001 al 2020.
“Questo set di dati fornisce le osservazioni fotometriche più lunghe, più grandi e più accurate delle stelle nella Grande Nube di Magellano nella storia dell’astronomia moderna”, afferma il prof. Udalski.
Il secondo articolo, pubblicato su Nature , discute le conseguenze astrofisiche dei risultati.
“Se tutta la materia oscura nella Via Lattea fosse composta da buchi neri di 10 masse solari, avremmo dovuto rilevare 258 eventi di microlente”, afferma il dott. Mróz. “Per 100 buchi neri di massa solare, ci aspettavamo 99 eventi di microlensing. Per 1000 buchi neri di massa solare – 27 eventi di microlente”.
Al contrario, gli astronomi OGLE hanno trovato solo 13 eventi di microlente. La loro analisi dettagliata dimostra che tutti possono essere spiegati dalle popolazioni stellari conosciute nella Via Lattea o nella stessa Grande Nube di Magellano, non dai buchi neri.
“Ciò indica che i buchi neri massicci possono comporre al massimo una piccola percentuale della materia oscura”, afferma il dott. Mróz.
I calcoli dettagliati dimostrano che i buchi neri di 10 masse solari possono comprendere al massimo l’1,2% di materia oscura, 100 buchi neri di massa solare – il 3,0% di materia oscura e 1000 buchi neri di massa solare – l’11% di materia oscura.
“Le nostre osservazioni indicano che i buchi neri primordiali non possono comprendere una frazione significativa della materia oscura e, allo stesso tempo, spiegano i tassi di fusione dei buchi neri osservati misurati da LIGO e Virgo”, afferma il prof. Udalski.
Pertanto, sono necessarie altre spiegazioni per i buchi neri massicci rilevati da LIGO e Virgo. Secondo un’ipotesi, si sono formati come prodotto dell’evoluzione di stelle massicce e a bassa metallizzazione. Un’altra possibilità riguarda la fusione di oggetti meno massicci in ambienti stellari densi, come gli ammassi globulari.
“I nostri risultati rimarranno nei libri di testo di astronomia per decenni a venire”, aggiunge il prof. Udalski.(30Science.com)
