Le particelle di materia oscura potrebbero essere la chiave per il mistero della fusione dei buchi neri supermassicci

Le particelle di materia oscura potrebbero essere la chiave per comprendere il mistero della fusione dei buchi neri supermassicci (SMBH) situati nei nuclei delle galassie. Questa ipotesi potrebbe anche chiarire alcuni comportamenti della materia oscura su scale molto più ampie.

I SMBH sono essenziali per decifrare molte delle caratteristiche più significative dell’universo, come la luce dei quasar estremamente lontani e la distribuzione degli elementi nelle galassie. Tuttavia, alcuni dei loro comportamenti rimangono poco chiari, in particolare il modo in cui si fondono. Il cosiddetto “problema del parsec finale” suggerisce che, secondo i modelli di fusione galattica, i SMBH dovrebbero avvicinarsi fino a rimanere separati da pochi anni luce, ma poi attraversano l’ultimo gap con estrema lentezza.

Sebbene si osservino alcuni SMBH in orbita reciproca, esistono anche galassie fuse con un unico SMBH. Inoltre, se i SMBH si fondessero raramente, sarebbe difficile spiegare come alcuni di essi raggiungano dimensioni enormi. Esistono anche prove, sebbene non ancora conclusive, di un fondo di onde gravitazionali prodotto da tali fusioni che influenzano la temporizzazione dei pulsar. In qualche modo, molti SMBH sembrano superare questo ultimo parsec (3,26 anni luce). Un nuovo studio propone che le particelle di materia oscura siano fondamentali in questo processo.

I SMBH non si respingono come particelle della stessa carica, quindi una modalità di fusione potrebbe essere attraverso collisioni frontali, sebbene ciò sia molto raro. Più frequentemente, cadono in un’orbita reciproca, come accade talvolta anche per i loro omologhi più piccoli, i buchi neri stellari. In entrambi i casi, la distanza si riduce lentamente mentre le onde gravitazionali disperdono parte dell’energia.

Tuttavia, i SMBH sono così massicci che le loro orbite contengono enormi quantità di energia. Per disperdere rapidamente questa energia è necessario trasferirla alla materia vicina, un processo noto come frizione dinamica . Inizialmente, la frizione dinamica è efficace, ma la materia che riceve l’energia trasferita lascia rapidamente l’area, conseguenza inevitabile dell’aumento dell’energia cinetica. Una volta che i SMBH hanno liberato la loro vicinanza dalla materia, la frizione dinamica cessa. Se le onde gravitazionali diventano l’unico metodo di dispersione dell’energia, il ritmo di avvicinamento rallenterebbe a tal punto che le fusioni impiegherebbero più tempo dell’età attuale dell’universo.

Pertanto, i fisici hanno dedotto che deve esistere un altro processo di dispersione dell’energia, la cui natura è rimasta un mistero fino a ora. Un team guidato dal Dr. Gonzalo Alonso-Álvarez dell’Università di Toronto ritiene di avere la soluzione.

“Includendo l’effetto finora trascurato della materia oscura, possiamo aiutare i buchi neri supermassicci a superare questo ultimo parsec di separazione e fondersi,” ha dichiarato Alonso-Álvarez. “I nostri calcoli spiegano come ciò possa avvenire, contrariamente a quanto si pensava in precedenza.”

Poiché non conosciamo la natura esatta della materia oscura, non possiamo essere certi del comportamento delle sue particelle, specialmente in condizioni estreme come queste. I modelli precedenti assumevano che qualsiasi materia oscura nelle vicinanze dei SMBH venisse anch’essa accelerata verso l’esterno, così che quando i SMBH si trovassero a circa un parsec di distanza non ne rimanesse abbastanza per causare ulteriori decadimenti orbitali.

Tuttavia, Alonso-Álvarez e i coautori hanno considerato un’alternativa: le interazioni tra le particelle di materia oscura impediscono la loro dispersione. “La possibilità che le particelle di materia oscura interagiscano tra loro è un’ipotesi che abbiamo formulato, un ingrediente extra che non tutti i modelli di materia oscura contengono,” ha affermato Alonso-Álvarez. “Il nostro argomento è che solo i modelli con quell’ingrediente possono risolvere il problema del parsec finale.”

Senza trovare tali particelle e osservarne le interazioni, il team non può essere certo della loro correttezza, ma ci sono test più pratici che potrebbero aumentare la fiducia. In particolare, se hanno ragione, l’estremità a bassa frequenza delle onde gravitazionali prodotte dai SMBH dovrebbe mostrare una firma specifica. “I dati attuali già suggeriscono questo comportamento, e nuovi dati potrebbero confermarlo nei prossimi anni,” ha detto il coautore Professor James Cline della McGill University.