Febbraio 8, 2023

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I “fotoni oscuri” riscaldano l’universo? – Il calore extra nel mezzo intergalattico potrebbe provenire da particelle esotiche

Un’anomalia sconcertante: molte nubi di gas intergalattiche sono più calde di quanto dovrebbero essere. Ma ciò che li riscalda è ancora un mistero. Ora i fisici possono trovare una ragione: “fotoni oscuri”. Queste potenziali particelle di materia oscura possono trasformarsi in normali fotoni in determinate condizioni, rilasciando calore nel processo. Secondo le simulazioni del modello, l’anomalia osservata si adatta perfettamente a questo effetto, riferiscono i ricercatori.

Quando la luce dei quasar e delle galassie lontane risplende attraverso nubi intergalattiche di gas, gli atomi e le molecole in quel mezzo lasciano dietro di sé distinte linee di assorbimento nello spettro luminoso. Le più notevoli sono le linee spettrali dell’idrogeno, le cosiddette Linee Alfa Lehman. Poiché queste linee vengono trasmesse a distanze diverse nella gamma delle onde lunghe, a seconda della distanza dall’idrogeno gassoso, gli spettri mostrano spesso un’intera “foresta” di queste linee.

Foresta di Lyman alfa di linee di idrogeno variabili nello spettro dei quasar, linee derivanti dall’idrogeno gassoso diversamente distante dal mezzo galattico. © Bill Key/Università dell’Arizona

Ambiguità attorno a linee spettrali estremamente ampie

Tuttavia, la cosa strana è che le strisce alfa di Lyman di alcune nubi intergalattiche sono insolitamente ampie. “La foresta alfa di Lyman è come un calorimetro: l’ampiezza delle linee di assorbimento riflette la temperatura dell’idrogeno intergalattico”, hanno spiegato James Bolton dell’Università di Nottingham e colleghi. Secondo i modelli attuali, questo idrogeno è riscaldato principalmente dalla radiazione ultravioletta di stelle e quasar.

Per le lontane nubi cosmiche di idrogeno, anche l’allargamento della linea è in buon accordo con l’effetto di riscaldamento di questa radiazione. Tuttavia, questo non si applica all’idrogeno intergalattico nel nostro ambiente alieno: anche con uno spostamento verso il rosso verso z = 2, le linee Lyman-alfa sono molto più larghe di quanto dovrebbero essere. “Questo indica che il riscaldamento è all’opera qui in un modo che non è presente nei modelli”, spiegano i fisici. Secondo le misurazioni, questo calore extra fornito corrisponde a un’energia di circa 6,9 elettronvolt per protone.

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Fotoni oscuri come originatori?

Ma da dove viene questa energia? Bolton e il team sospettano che esista una particella molto speciale: “Il calore in eccesso potrebbe essere un’indicazione di fotoni oscuri, un candidato particelle di materia oscuraspiega il coautore Andrea Caputo del centro di ricerca CERN vicino a Ginevra.Quando questi fotoni oscuri incontrano nubi di gas ionizzato di una certa densità, possono verificarsi effetti di risonanza, che li convertono in fotoni ordinari, rilasciando energia nel processo.

“Di conseguenza, il fotone oscuro può riscaldare il gas intergalattico e questo allarga le linee di assorbimento”, afferma Caputo. Usando simulazioni di modelli fisici, i ricercatori hanno ora studiato se l’allargamento osservato delle linee alfa di Lehmann possa essere spiegato da questo processo di conversione. In particolare, hanno analizzato la densità delle nubi di gas a cui si verifica il necessario effetto di risonanza e la massa che dovrebbero avere le particelle virtuali.

Il modello si adatta ai dati osservativi

Il risultato: le nubi di gas intergalattiche nel nostro ambiente cosmico immediato hanno la giusta intensità per l’effetto di risonanza. Pertanto può avvenire la conversione dei fotoni oscuri nella loro controparte normale. “La maggior parte delle transizioni risonanti si verificano a un redshift di z = 2”, affermano i fisici. “Quindi, questo potrebbe spiegare l’allargamento delle linee di assorbimento a bassi spostamenti verso il rosso”.

Al contrario, nubi distanti di idrogeno non possiedono più la densità necessaria per questo processo, come suggerisce il modello. Pertanto, le loro linee alfa di Lehmann deviano meno dei valori teoricamente previsti. Tuttavia, anche in queste lontane nubi intergalattiche, una piccola parte dell’allargamento della linea osservata potrebbe essere dovuta a fotoni oscuri, hanno ipotizzato Bolton e il suo team.

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“La cosa eccitante è che ci sono prove reali nella foresta Lyman Alpha che il mezzo intergalattico a un redshift di z = 3 è anche molto più caldo di quanto ci si aspetterebbe nei modelli convenzionali di riscaldamento ultravioletto”, affermano i fisici. Anche tu stai già percorrendo questa strada.

Non l’unico candidato

“Il nostro studio è la prima chiara indicazione che gli input di energia dalla materia oscura possono anche spiegare le osservazioni”, affermano Bolton e il suo team. Se esistono fotoni oscuri, il loro modello restringe la loro energia e quindi la loro massa a circa dieci miliardesimi di elettronvolt per metro quadrato della velocità della luce (10-14/ c2). Ciò corrisponde a circa 0,1 trilioni di massa di elettroni.

Tuttavia, i fisici ammettono anche di non poter escludere altre spiegazioni per le righe spettrali allargate. “Ma se gli studi futuri escludono queste spiegazioni tradizionali, potremmo aver trovato il primo effetto di materia oscura non gravitazionale”, commenta il cosmologo non gravitazionale Sam Witt, cosmologo dell’Università di Amsterdam. (Lettere di revisione fisica, 2022; doi: 10.1103/PhysRevLett.129.211102)

Fonte: società fisica americana