Timeline della storia del cosmo. Dal punto di vista osservativo, l’epoca della reionizzazione – la linea di demarcazione fra età oscura e alba cosmica – è segnata dalla scomparsa della riga a 21 cm, lunghezza d’onda della luce che l’idrogeno neutro assorbe ed emette durante la cosiddetta transizione iperfine, quando gli spin dell’elettrone e del protone passano da paralleli ad antiparalleli. Avendo perso il suo unico elettrone, l’idrogeno ionizzato non assorbe né emette a questa frequenza: è una prerogativa dell’idrogeno neutro. Crediti: Nasa/Wmap Science Team
Ormai da qualche anno – da quando le wimp sono passate di moda – le candidate più gettonate al ruolo di particelle di materia oscura sono gli assioni. Particelle ipotetiche anch’esse, mai afferrate da alcun rivelatore, a differenza delle wimp – dove la lettera ‘m’ sta a indicarne la natura di particelle massive – gli assioni sono ultraleggeri. Eppure anche loro, come le wimp, potrebbero spiegare quell’80 per cento abbondante di materia che dovrebbe costituire l’universo ma della quale non sappiamo alcunché – la materia oscura, appunto.
Come trovare, dunque, questi assioni? Due studi pubblicati questo mese su Physical Review D da un team di ricercatori guidato da Miguel Escudero (Cern) e Xiaolong Du (Carnegie Observatories, Usa) suggeriscono di guardare alle esplosioni di stelle. Esplosioni di stelle particolari, però: non le classiche supernove, bensì – appunto – stelle di assioni. Cercandone le tracce in un “luogo” che gli astronomi conoscono bene: la riga a 21 cm dell’idrogeno neutro.
«Gli assioni sono uno dei principali candidati per la materia oscura. Abbiamo scoperto che, una volta condensate in densi ammassi, hanno la capacità di riscaldare l’universo, proprio come le supernove», spiega uno fra i coautori dei due studi, l’astrofisico Malcolm Fairbairn del King’s College di Londra. «Armati di questa conoscenza, ora sappiamo con molta più certezza dove puntare i nostri strumenti per trovarli».
L’ipotesi che possano esistere – o essere esistite – stelle di assioni non è nuova, ne abbiamo parlato anche su Media Inaf. Ciò su cui si concentrano gli autori dei due studi è la possibilità che, se la loro massa supera una certa soglia, queste stelle possano diventare instabili, esplodendo in un fiotto di radiazioni elettromagnetiche: fotoni, particelle di luce dunque, che a differenza degli assioni hanno il non trascurabile vantaggio di poter essere rilevati. In particolare, riscaldando il gas intergalattico nel periodo che separa il big bang dalla formazione delle prime stelle, dunque nell’intervallo fra 50 e i 500 milioni dall’inizio dell’universo, questi fotoni d’origine “assionica” potrebbero aver avuto un ruolo cruciale nella cosiddetta reionizzazione. Da qui l’idea di cercarne le tracce nella riga a 21 cm della transizione iperfine dell’idrogeno neutro, spazzato via proprio a seguito della reionizzazione.
Arrivando a una stima del numero totale di stelle di assioni nell’universo e, per estensione, del loro potenziale esplosivo sul gas intergalattico, gli autori dei due studi sono anche riusciti a ipotizzare l’impatto dell’esplosione delle stelle di assioni sulla Cmb – la radiazione cosmica di fondo – all’inizio della reionizzazione. Una stima, questa, che in teoria consentirebbe di usare le misure della riga a 21 cm per calcolare con precisione l’effettivo contributo degli assioni.
«Stelle di assioni coerenti, anche quelle relativamente compatte, hanno il potenziale per esplodere in un alone di elettromagnetismo e luce. Conoscere il tipo di strutture che la materia oscura assionica può formare e il suo impatto sul gas intergalattico circostante», conclude Fairbairn, «può aprire nuove strade per la sua individuazione».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review D l’articolo “Axion star explosions: A new source for axion indirect detection”, di Miguel Escudero, Charis Kaur Pooni, Malcolm Fairbairn, Diego Blas, Xiaolong Du e David J. E. Marsh
- Leggi su Physical Review D l’articolo “Soliton merger rates and enhanced axion dark matter decay”, di Xiaolong Du, David J. E. Marsh, Miguel Escudero, Andrew Benson, Diego Blas, Charis Kaur Pooni e Malcolm Fairbairn
Guarda sul canale YouTube del King’s College di Londra la simulazione dell’esplosione di una stella d’assioni: