A sinistra il momento iniziale, quando il gas è mescolato; a destra, un istante appena successivo alla formazione di una stella di Bose. Il colore indica la densità, da scarsa a densa: bianco, blu, verde, giallo. Crediti: Dmitry Levkov
Un gruppo di scienziati dell’Istituto per la ricerca nucleare dell’Accademia delle scienze russa, guidato da Dmitry Levkov, ha sviluppato un modello matematico che descrive il moto delle particelle di materia oscura all’interno dei più piccoli aloni galattici, osservando che con il tempo la materia oscura può formare goccioline sferiche di un particolare stato della materia, noto come condensato di Bose-Einstein. Si credeva impossibile, poiché le fluttuazioni del campo gravitazionale prodotto dalle particelle di materia oscura venivano solitamente trascurate.
La materia oscura è sfuggente, al punto che solo le interazioni gravitazionali la rendono percepibile, dato che non emette radiazioni elettromagnetiche. Le sue particelle si muovono lentamente e per questo motivo sono trattenute dalle galassie: ogni galassia è infatti circondata da un alone di materia oscura di dimensioni e massa molto maggiori di quelle della galassia stessa.
Le particelle di materia oscura potrebbero essere state prodotte anche nell’universo primordiale, con velocità pressoché nulle, indipendentemente dalla loro massa – ed essere leggerissime. Di conseguenza, diventano enormi le distanze a cui la natura quantistica di tali particelle diviene evidente: invece delle scale nanometriche normalmente associate ai fenomeni quantistici della materia ordinaria nei laboratori, potrebbe trattarsi della stessa scala delle dimensioni della parte centrale della nostra galassia.
Se poi queste particelle sono bosoni con una massa sufficientemente piccola, possono formare un condensato di Bose-Einstein nel piccolo alone galattico o in sottostrutture minori a causa delle loro interazioni gravitazionali. Tali sottostrutture includono aloni di galassie nane – sistemi di diversi miliardi di stelle legati insieme gravitazionalmente- e minicluster – sistemi molto piccoli formati solo dalla materia oscura. Il condensato di Bose-Einstein è uno stato di particelle quantistiche in cui tutte occupano il livello di energia più basso, con la minore energia, ottenibile in laboratorio a basse temperature con atomi ordinari. È uno stato della materia con proprietà uniche, come la superfluidità, cioè la capacità di passare attraverso piccole fessure o capillari senza attrito. Affinché la materia oscura leggera di una galassia formi un condensato di Bose-Einstein deve avere elevata concentrazione e bassa velocità, ma anche essere costituita di particelle interagenti tra loro non solo gravitazionalmente (e la gravità è la sola cosa che ne conosciamo).
«Nel nostro lavoro, abbiamo simulato il movimento di un gas quantistico di particelle interagenti gravitazionalmente di materia oscura leggera. Abbiamo iniziato da uno stato virializzato con la massima miscelazione, che è una specie di opposto al condensato di Bose-Einstein. Dopo un periodo molto lungo, 100mila volte più del tempo necessario a una particella per attraversare il volume di simulazione, le particelle formavano spontaneamente un condensato, che si modellava immediatamente in una goccia sferica, una stella di Bose, sotto l’effetto della gravità», spiega Levkov, primo firmatario dell’articolo pubblicato su Physical Review Letters.
Secondo i ricercatori, il condensato di Bose-Einstein può formarsi nei centri degli aloni delle galassie nane in un tempo inferiore all’attuale età dell’Universo. Ciò significa che le stelle di Bose potrebbero popolarli ora. Questa è la prima volta che nelle simulazioni numeriche il condensato di Bose-Einstein si forma dalla materia oscura leggera, senza che fosse presente nello stato iniziale del sistema e da esso sono nate le stelle di Bose. Secondo un’ipotesi, il condensato di Bose potrebbe essersi formato nell’universo primordiale molto prima della formazione di galassie o minicluster, ma al momento mancano prove attendibili.
Altra invitante osservazione è che le stelle di Bose possono produrre Fast Radio Burst, fenomeni attualmente senza alcuna spiegazione quantitativa. Gli assioni, particelle che potrebbero essere uno dei componenti della materia oscura leggera, interagiscono con il campo elettromagnetico molto debolmente e possono decadere in fotoni radio. Questo effetto è incredibilmente piccolo, ma all’interno della stella di Bose potrebbe essere amplificato come avviene per la luce in un laser, portando così a gigantesche raffiche radio. «Il prossimo passo ovvio è predire il numero delle stelle di Bose nell’universo e calcolare la loro massa in modelli con materia oscura leggera», conclude Levkov.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Gravitational Bose-Einstein Condensation in the Kinetic Regime“, di D. G. Levkov, A. G. Panin e I. I. Tkachev.