Decodifica dell’impronta della materia oscura sulle onde gravitazionali dei buchi neri

Un nuovo studio condotto da ricercatori dell’Università di Amsterdam mostra come onde gravitazionali dai buchi neri può essere utilizzato per rivelare la presenza di materia oscura e aiutare a determinarne le proprietà. La chiave è un nuovo modello, basato sulla teoria della relatività generale di Einstein, che traccia in dettaglio il modo in cui un buco nero interagisce con la materia circostante.

I ricercatori Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas e Gianfranco Bertone dell’UvA Institute of Physics (IoP) e il centro di eccellenza GRAPPA per la fisica della gravitazione e delle astroparticelle di Amsterdam hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica. Nel loro articolo, introducono un modo migliore per modellare il modo in cui la materia oscura attorno ai buchi neri influenza le onde gravitazionali emesse da questi sistemi.

Ispirazioni con rapporti di massa estremi

Il lavoro si concentra sui cosiddetti inspirali con rapporto di massa estremo, o EMRI: sistemi in cui un oggetto relativamente piccolo e compatto – ad esempio un buco nero formatosi nel collasso di una singola stella – orbita e si muove lentamente a spirale in un buco nero molto più massiccio, tipicamente al centro di una galassia. Mentre si muove a spirale verso l’interno, l’oggetto più piccolo emette un lungo segnale di onde gravitazionali.

Si prevede che le future missioni spaziali, come l’antenna spaziale LISA dell’Agenzia spaziale europea, il cui lancio è previsto per il 2035, registreranno questi segnali per mesi o addirittura anni, tracciando da centinaia di migliaia a milioni di cicli orbitali. Se modellate accuratamente, queste “impronte digitali cosmiche” possono rivelare come la materia – in particolare la misteriosa materia oscura che si ritiene costituisca la maggior parte della materia nell’Universo – è distribuita nelle immediate vicinanze dei buchi neri massicci.

Un punto di vista relativistico

Prima che missioni come LISA inizino a raccogliere dati, è fondamentale prevedere in dettaglio quali tipi di segnali dovremmo aspettarci e come estrarre da essi quante più informazioni possibili. Fino ad ora, la maggior parte degli studi si è basata su descrizioni semplificate di come l’ambiente influisce sugli EMRI. Il nuovo articolo dei fisici IoP/GRAPPA colma questa lacuna per un’ampia classe di ambienti. Fornisce il primo pienamente relativistico quadro – nel senso che utilizza integralmente la teoria della gravità di Einstein, invece di approssimazioni più semplici basate sulla gravità newtoniana – per descrivere come i dintorni di un buco nero massiccio modificano l’orbita di un EMRI e le onde gravitazionali risultanti.

Lo studio si concentra in particolare sulle dense concentrazioni di materia oscura – spesso chiamate “punte” o “tumuli” – che potrebbero formarsi attorno a buchi neri massicci. Incorporando la loro nuova descrizione relativistica in modelli di forme d’onda all’avanguardia, gli autori mostrano come tali strutture lascerebbero un’impronta misurabile sui segnali registrati dai futuri rilevatori. Questo lavoro rappresenta un passo fondamentale in un programma a lungo termine che mira a utilizzare le onde gravitazionali per mappare la distribuzione della materia oscura nell’Universo e far luce sulla sua natura fondamentale.

Fonte: Università di Amsterdam

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