Claudio Manzari, primo autore dell’articolo sulla ricerca degli assioni prodotti durante l’esplosione d una supernova. Crediti: Antonella Saracino
Le hanno dato tanti nomi nel corso degli anni, e non trovando nulla di davvero convincente, sempre più spesso ne è stata messa in discussione l’esistenza. Parliamo della materia oscura, e delle particelle che la compongono. Dopo aver cercato i cosiddetti Machos, oggetti compatti deboli e massicci, mai trovati, e dopo aver ipotizzato che a formare la materia oscura siano particelle massive debolmente interagenti (o Wimp), sembra che il miglior candidato oggi sia l’assione. Ma come fare per trovarlo? Secondo uno studio pubblicato la settimana scorsa su Physical Review Letters, “basterebbe” osservare in diretta l’esplosione di una supernova con un telescopio a raggi gamma. Gli assioni, se esistono, verrebbero prodotti in quantità abbondanti nei primi dieci secondi dopo il collasso del nucleo di una stella massiccia in una stella di neutroni, sfuggirebbero e verrebbero trasformati in raggi gamma ad alta energia nell’intenso campo magnetico della stella. Per saperne di più, Media Inaf ha contattato il primo autore dello studio: Claudio Andrea Manzari, trentenne originario di Bari, dal 2022 ricercatore postdottorato all’Università della California, a Berkeley.
Manzari, cosa sono questi assioni?
«Gli assioni sono fra i migliori candidati per la materia oscura oggi: si tratta di particelle che si inseriscono perfettamente nel Modello standard della fisica e risolvono altri enigmi irrisolti nella fisica delle particelle. Non solo, gli assioni emergono anche in modo naturale dalla teoria delle stringhe, che potrebbe fornire una descrizione quantistica della gravità. Fra tutti, una classe di modelli particolarmente motivati è l’assione di Qcd, che prende il nome dalla teoria che descrive le interazioni forti: la cromodinamica quantistica. Questo assione, fra le caratteristiche che lo rendono promettente nel contesto delle teorie fisiche oggi più accreditate, è anche un ottimo candidato di materia oscura nel range di massa 1-100 μeV (microelettronvolt)».
Se gli assioni sono le particelle di materia oscura, come si fa a “vederli” in un fenomeno astrofisico? E come si può essere sicuri che siano proprio loro?
«Una generica predizione di questi modelli è che l’assione interagisca con tutta la materia e le interazioni presenti nel Modello standard. Di conseguenza, in un campo magnetico intenso, c’è una probabilità non nulla che l’assione si converta in un’onda elettromagnetica, un fotone. Le stelle di neutroni, le supernove e altri ambienti astrofisici caratterizzati da un campo magnetico intenso sono da tempo riconosciuti come laboratori eccezionali per la ricerca di nuove particelle leggere e debolmente interagenti. In questo contesto, l’assione di Qcd rappresenta un obiettivo naturale. Gli assioni possono essere prodotti in grandi quantità nel nucleo caldo e denso della protostella di neutroni formatasi durante un’esplosione di supernova, così come nel nucleo molto denso delle stelle di neutroni. Questo permette di cercare assioni in due modi. Il primo: la produzione di assioni nel nucleo della protostella di neutroni e in generale nelle stelle di neutroni può alterare la loro evoluzione termica, influenzando così l’evoluzione prevista della luminosità. Questo vale generalmente per particelle leggere e debolmente interagenti, quindi non solamente gli assioni. Il secondo: gli assioni che sfuggono dal nucleo della protostella di neutroni e delle stelle di neutroni possono successivamente convertirsi in raggi gamma in presenza di campi magnetici, generando un segnale rilevabile».
Quello di cui parlate nel vostro articolo?
«Esatto. Per le esplosioni di supernove tale segnale è predetto nello spettro di radiazione gamma, e questa predizione ha il vantaggio di riguardare unicamente gli assioni e di rappresentare, dunque, una firma sperimentale specifica di queste particelle. Una piccola precisazione: mentre gli assioni sfuggono dalla supernova a una velocità prossima alla velocità della luce, i fotoni prodotti all’interno della supernova stessa impiegano diverse ore a sfuggire da essa a causa del continuo numero di interazioni. Di conseguenza, l’eventuale osservazione di raggi gamma in concomitanza con il collasso del nucleo di una stella massiva sarebbe una chiara evidenza della presenza di assioni».
Come mai, finora, nessuno si era accorto di un contributo all’esplosione proveniente da particelle come queste?
«Fino ad ora, gli studi sull’emissione di assioni in esplosioni di supernova sono stati condotti considerando la conversione in raggi gamma nei campi magnetici del mezzo intergalattico. Con i miei collaboratori all’Università di Berkeley e al Lawrence Berkeley National Laboratory abbiamo proposto la possibilità che gli assioni, prodotti in grandi quantità durante i primi 10 secondi successivi al collasso del nucleo di una stella massiva, si convertano in raggi gamma nell’intenso campo magnetico della stella stessa. Infatti, a seguito di un’esplosione di supernova, il campo magnetico stellare impiega, per riequilibrarsi, un tempo di gran lunga maggiore del tempo impiegato dagli assioni per attraversare l’involucro della stella, che al loro passaggio incontrano l’ancora intatto campo magnetico stellare. In aggiunta, la diversa morfologia del campo magnetico stellare rispetto a quello galattico, e in particolare la maggiore intensità su scale spaziali ridotte, permette di avere una probabilità di conversione maggiore e di testare uno spazio dei parametri più ampio».
Dopo la formazione di una stella di neutroni calda e compatta dal collasso del nucleo di ferro di una stella massiccia, gli assioni dovrebbero essere prodotti in quantità immense per circa 10 secondi. Alcuni di questi assioni (a, linea rossa tratteggiata) saranno convertiti in raggi gamma nell’intenso campo magnetico della stella. Una flotta di telescopi per raggi gamma intorno alla Terra potrebbe rilevare questi raggi gamma, confermando l’esistenza degli assioni e determinandone la massa. Crediti: Benjamin Safdi, UC Berkeley
Quanta fortuna ci vuole, per riuscire a osservare un’esplosione di supernova e vedere gli assioni?
«Il problema è che, affinché il flusso di raggi gamma sia abbastanza intenso da essere rilevato, la supernova deve essere relativamente vicina, all’interno della nostra galassia, o in una delle sue galassie satelliti. Studi recenti stimano un numero da 3 a 5 esplosioni di supernove galattiche ogni cento anni. L’ultima supernova vicina risale al 1987, nella Grande Nube di Magellano, una delle galassie satelliti della Via Lattea. All’epoca, un telescopio per raggi gamma ormai dismesso, la Solar Maximum Mission, era puntato nella direzione della supernova, ma non era abbastanza sensibile da rilevare l’intensità prevista dei raggi gamma. Se osservassimo una supernova, come la supernova 1987A, con un telescopio per raggi gamma moderno, saremmo in grado di rilevare o escludere l’esistenza dell’assione di Qcd, su gran parte del suo spazio dei parametri. Essenzialmente l’intero spazio dei parametri che non può essere esplorato in laboratorio e una buona parte di quello che può essere esplorato in laboratorio. E accadrebbe tutto in dieci secondi circa».
Da quel che ho letto, non solo le esplosioni di supernova, ma le stelle di neutroni in generale, sono buoni posti in cui cercare gli assioni. Come mai?
«Sì, le stelle di neutroni hanno molte caratteristiche interessanti. Le giovani stelle di neutroni sono oggetti estremamente densi e caldi, mentre quelle vecchie sono oggetti molto densi e freddi. Entrambe ospitano campi magnetici molto intensi. E in generale, intorno alle stelle di neutroni si trovano i campi magnetici più forti del nostro universo; come i magnetar, che possiedono campi magnetici decine di miliardi di volte più potenti di qualsiasi cosa possiamo costruire in laboratorio. Tuttavia, le stelle di neutroni meglio osservate sono piuttosto distanti e le migliori ricerche di assioni provengono dallo studio della velocità di raffreddamento delle stelle di neutroni. Un tipo di ricerca che però non è competitiva rispetto a quanto pensiamo succeda in un’esplosione di supernova».
Visto che prima citava i laboratori sulla terra, ci sono esperimenti che possono rivelare gli assioni negli acceleratori, ad esempio?
«Al momento ci sono numerosi esperimenti che cercano l’assione e altri che sono stati recentemente proposti. Come, ad esempio, il consorzio Alpha (Axion Longitudinal Plasma Haloscope), DMradio e Abracadabra, che utilizzano cavità compatte capaci di risuonare e amplificare il debole campo elettromagnetico (o fotone) prodotto da un assione di piccola massa quando si trasforma in presenza di un forte campo magnetico. Tuttavia, questi sono tutti esperimenti caratterizzati da notevoli difficoltà tecniche e anch’essi generalmente non competitivi (al momento) con le eventuali osservazioni di supernova».
Meglio concentrarsi sulle supernove, dunque. Ma ci si può preparare a un simile evento?
«Io e miei colleghi siamo preoccupati che quando finalmente si verificherà la prossima supernova galattica non saremo pronti a osservare i raggi gamma prodotti dagli assioni. Se una supernova galattica esplodesse oggi, stimiamo che la probabilità che il telescopio Fermi-Lat, ad esempio, stia osservando la regione di cielo giusta al momento giusto per catturare il lampo indotto dagli assioni (che, come dicevamo, dura circa 10 secondi) sia solo intorno al 20 per cento, tenendo conto del campo visivo limitato dello strumento e dei periodi di inattività durante la sua orbita. Stiamo discutendo con colleghi che costruiscono telescopi per raggi gamma per valutare la fattibilità di lanciare uno o una flotta di telescopi in grado di coprire il 100 per cento del cielo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, garantendo così di catturare qualsiasi lampo di raggi gamma. Abbiamo proposto un nome per questa costellazione di satelliti dedicati ai raggi gamma a tutto cielo: Galactic Axion Instrument for Supernova (Galaxis). Sarebbe davvero un peccato se una supernova esplodesse domani e perdessimo l’opportunità di rilevare l’assione, perché una simile possibilità potrebbe non ripresentarsi per altri 50 anni».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Supernova axions convert to gamma rays in magnetic fields of progenitor stars“, di Claudio Andrea Manzari, Yujin Park, Benjamin R. Safdi e Inbar Savoray