In questo rendering artistico, un blazar sta accelerando protoni che producono pioni, che producono neutrini e raggi gamma. Vengono prodotti anche fotoni a bassa energia. Crediamo che questo oggetto, come tutte le galassie e quelle più grandi, sia circondato da un alone di materia oscura. Ma da cosa è composto quell'alone e i fotoni pesanti potrebbero essere un'opzione?

• Sebbene ci siano prove schiaccianti dell'esistenza della materia oscura da una prospettiva astrofisica, ogni singolo sforzo di rilevamento diretto è risultato vuoto, rendendo la natura della materia oscura un mistero cosmico. 

• Molti possibili candidati alla materia oscura abbondano e, sebbene sia facile escogitare un modo in cui possa esserci materia extra che elude i limiti di rilevamento nel nostro Universo, è difficile eguagliare le osservazioni astrofisiche. 

• Un'idea che circola da tempo nella fisica è quella dei fotoni massicci. Potrebbero essere la soluzione ricercata a questo mistero cosmico?

Quando si tratta dell'Universo, ci sono alcune cose di cui possiamo essere certi che esistono in base a ciò che osserviamo. Sappiamo che l'Universo era più caldo, più denso e più uniforme in un lontano passato. Sappiamo che le stelle e le galassie nell'Universo sono cresciute e si sono evolute con l'invecchiamento dell'Universo. Sappiamo che la gravitazione ha formato la struttura su larga scala dell'Universo e che la struttura è diventata più complessa nel tempo. E sappiamo anche quanta materia normale, complessivamente, è presente nell'Universo, e che non è sufficiente a spiegare l'intera serie degli effetti gravitazionali che vediamo da soli.

Quindi, se la questione normale non può essere tutto ciò che c'è, cos'altro può esserci? L'idea guida è la materia oscura, ma non sappiamo esattamente di cosa si tratta. E se fosse solo luce? È possibile? Ecco cosa vuole sapere Enon Travis Sci, chiedendo:

"Mi piacerebbe leggere un articolo sul perché la luce non è un candidato alla materia oscura, specialmente nella luce (gioco di parole) dei recenti articoli sull'eccesso del 50% di luce ambientale nell'universo e sui fenomeni noti della massa apparente i fotoni possono avere nello spaziotempo…”

È un'idea del tutto ragionevole da considerare. Diamo un'occhiata all'interno.

Prima di tutto, c'è davvero un eccesso nella luce ambientale che vediamo nell'Universo. In effetti, ne ho scritto io stesso nel 2020 , perché è una delle cose più intriganti che la navicella spaziale New Horizons è stata in grado di misurare dalla sua posizione unica: fuori dall'orbita di Plutone. Tra tutti i veicoli spaziali perfettamente funzionanti, solo New Horizons è abbastanza distante da essere immune ai minuscoli granelli di polvere che riflettono la luce che esistono in tutto il nostro Sistema Solare e vedere che tipo di luce rimane ancora .

Lo spazio profondo è completamente buio?

Potresti pensare che dovrebbe essere, ma non è quello che ha scoperto il team di New Horizons. C'era luce in eccesso dalle fonti previste: rumore della telecamera, luce solare diffusa, luce stellare fuori asse in eccesso, cristalli dalla spinta del veicolo spaziale e altri effetti strumentali creano tutti un eccesso di luce. Ma tutti questi effetti possono essere modellati e, quando lo sono, le loro grandezze e contributi possono essere quantificati. Tuttavia, quando sono stati sottratti, è rimasto un eccesso incontrovertibile.

La maggior parte delle tracce di polvere osservate nella nostra galassia derivano dalla nostra stessa galassia, come mostra questa mappa a cielo pieno del satellite Planck. Tuttavia, quando si tratta dell'intero Universo al di là della Via Lattea, non è noto se la fonte della luce ottica non identificata provenga da galassie invisibili o da qualche altra fonte, possibilmente simile alla polvere.

( Credito : Planck Collaboration/ESA, HFI e LFI Consortium)

Alcuni di questi si sono verificati nel piano della cintura di Kuiper, quindi sono state utilizzate solo le osservazioni fuori da quel piano. Alcuni si sono verificati nel piano ricco di polvere della Via Lattea, quindi anche quelle osservazioni sono state respinte. Tuttavia, l'eccesso persiste. Cosa l'ha causato? Sono stati considerati sei contributi teorici:

1. stelle e galassie che possiamo identificare,
2. deboli stelle e galassie che non possono (ancora) essere identificate,
3. luce diffusa diffusa dai “cirri” infrarossi,
4. luce solare diffusa da ogni residuo di polvere alla periferia del Sistema Solare,
5. luce extra all'interno della fotocamera,
6. e qualsiasi sfondo ottico cosmico diffuso che non sia associato a fonti nemmeno finora non identificate.

Dopo il lavoro di contabilità più scrupoloso che potevano raccogliere, hanno comunque concluso che là fuori c'era il doppio della luce rispetto al numero e alla densità previsti di stelle e galassie che dovrebbero produrre. La luce è lì; c'è davvero uno "sfondo ottico cosmico" diffuso e irrisolto e stiamo vedendo più luce lì dentro di quanto ci saremmo ingenuamente aspettati di vedere.

Questa immagine, forse sorprendentemente, mostra le stelle nell'alone della Galassia di Andromeda. La stella luminosa con picchi di diffrazione proviene dall'interno della nostra Via Lattea, mentre i singoli punti di luce visti sono per lo più stelle nella nostra galassia vicina: Andromeda. Oltre a ciò, tuttavia, si trova un'ampia varietà di deboli macchie, galassie a sé stanti. Non abbiamo ancora determinato quali siano per intero le sorgenti del fondo ottico cosmico.

( Credito : NASA, ESA e TM Brown (STScI))

Ma quella luce in eccesso potrebbe spiegare la gravitazione extra di cui abbiamo bisogno nell'Universo?

No.

Ci sono due grandi ragioni per cui. Il primo è che la quantità totale di energia in quella luce è minuscola: solo poche decine di nanowatt per metro quadrato di spazio. È la somma di tutte le forme di energia che contribuiscono alla curvatura dello spaziotempo, e sono le forme grumose di quell'energia – cioè quelle con una massa a riposo diversa da zero – che portano a effetti gravitazionali localizzati nello spazio. La frazione totale di energia codificata in tutta la luce nell'Universo è circa lo 0,01% della densità di energia critica, mentre la frazione totale di materia oscura deve sommare fino a circa il 27% della densità di energia critica. Anche se siamo fuori di un fattore 2, o 10, o 100, non ci avviciniamo a tenere conto della materia oscura.

Ma l'altro motivo è, forse, ancora più convincente: sono solo le cose con una massa a riposo diversa da zero che possono comportarsi come materia oscura e la luce, per quanto ne sappiamo, è priva di massa. In effetti, se non fosse privo di massa, non si muoverebbe alla velocità della luce e abbiamo notevoli vincoli su quello scenario.

Poche ore dopo l'arrivo dell'onda gravitazionale e dei segnali dei raggi gamma, i telescopi ottici sono stati in grado di concentrarsi sulla galassia sede della fusione, osservando il sito dell'esplosione illuminarsi e svanire praticamente in tempo reale. Questo evento del 2017 ci ha permesso di porre enormi vincoli su scenari alternativi sia per la gravitazione che per l'elettromagnetismo.

( Credito : PS Cowperthwaite/E. Berger/DECAm/CTIO)

Nel 2017 si è verificata un'osservazione incredibile . Il 17 agosto 2017, lo strumento Fermi Gamma-ray Burst Monitor ha rilevato un insieme localizzato di fotoni ad alta energia: una classica firma di un lampo di raggi gamma. I lampi di raggi gamma sono disponibili in due varietà, un lampo breve (meno di 2 secondi), che si sospettava fosse causato dalla fusione di stelle di neutroni, tra le altre cause, e un lampo lungo (più di 2 secondi), che si pensa sia dal collasso del nucleo di stelle massicce e in rapida rotazione. Vedere un lampo di raggi gamma di breve periodo è eccitante, ma non rivoluzionerà il mondo della scienza.

Almeno, non da solo. La cosa notevole è che, solo pochi secondi prima, come dimostrerebbe un'analisi successiva, anche i rivelatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo avevano visto un segnale, nelle onde gravitazionali, che era localizzato nel cielo esattamente nella stessa posizione. Il segnale era osservabile solo per circa 10 secondi, ma aveva tutte le caratteristiche dell'ispirazione finale e dell'eventuale fusione di due oggetti massicci e compatti. Quel segnale si è interrotto bruscamente in un momento specifico, corrispondente alla fusione stessa, che in seguito è stata determinata essere due stelle di neutroni che si fondono a circa 130 milioni di anni luce di distanza.

E poi, solo 1,7 secondi dopo, i raggi gamma sono arrivati ​​nel rivelatore di Fermi, tutto in una volta.

Quando due stelle di neutroni si scontrano, se la loro massa totale è sufficientemente grande, non si tradurranno solo in un'esplosione di kilonova e nella creazione onnipresente di elementi pesanti, ma porteranno alla formazione di un nuovo buco nero dal residuo post-fusione. Le onde gravitazionali ei raggi gamma della fusione sembrano viaggiare a velocità indistinguibili: la velocità di tutte le particelle prive di massa.

( Credito : Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

Pensaci. Si è verificato un evento: due oggetti astrofisici massicci e compatti si sono fusi insieme in un momento specifico nel tempo. Quelle onde gravitazionali hanno viaggiato alla velocità della luce attraverso l'Universo, attraversando una distanza di circa 130 milioni di anni luce. (Sì, ignorare l'espansione dell'Universo va bene per oggetti così vicini; escludendola si ottiene un errore di distanza/tempo di viaggio inferiore all'1%.) Esattamente nello stesso momento in cui si verifica la fusione, i fotoni ad alta energia sono prodotto, e anche loro viaggiano attraverso l'Universo, percorrendo una distanza di 130 milioni di anni luce fino ad arrivare al nostro rivelatore.

Ed è quello a cui voglio che tu pensi: due segnali, emessi quasi esattamente nello stesso momento (fino a circa 2 secondi l'uno dall'altro), hanno viaggiato nello spazio per 130 milioni di anni — circa 4 × 10 15 secondi — e sono arrivati ​​al loro destinazione finale entro 2 secondi l'uno dall'altro. Praticamente hanno disputato una maratona ultra-ultra-ultra testa a testa l'uno contro l'altro e si sono mossi alla stessa velocità con una precisione migliore di una parte in un quadrilione. In altre parole, se il fotone ha una massa, quella massa deve essere così piccola che un fotone in corsa e un'onda gravitazionale in corsa non mostrano alcuna differenza distinguibile nella distanza che attraversano in un intervallo di tempo di oltre 100.000.000 di anni!

Qualsiasi particella cosmica che viaggia attraverso l'Universo, indipendentemente dall'energia, si muoverà alla velocità della luce se è priva di massa e si sposterà al di sotto della velocità della luce se ha una massa a riposo diversa da zero. Fotoni e onde gravitazionali, con una precisione enorme, viaggiano esattamente alla stessa velocità: velocità indistinguibili dalla velocità della luce.

In effetti, ci sono molte linee di prova che pongono limiti superiori altrettanto forti sulla massa del fotone, con gli effetti magnetoidrodinamici del vento solare che forniscono il limite robusto più forte che la sua massa a riposo deve essere inferiore a 10 -18 eV/c 2 , o meno di un miliardesimo-miliardesimo-miliardesimo della massa di un protone. Se i fotoni hanno una massa a riposo, quella massa a riposo deve essere assolutamente minuscola.

E questo è abbastanza per uccidere il fotone come candidato alla materia oscura.

“Aspetta un minuto,” posso sentirti brontolare, “se ha massa, allora si comporterà come materia. E si ammasserà e graviterà, e se non può uscire dalla galassia o dall'ammasso di galassie a cui è legato gravitazionalmente, non si comporterà come la materia oscura?

E non metterò in dubbio i tuoi brontolii. Hai ragione. Se un fotone avesse massa e avesse così poca energia cinetica da cadere in una galassia o in un ammasso di galassie, allora aiuterebbe ad aggiungersi alla massa a riposo di quella struttura. Graviterebbe e non emetterebbe luce propria. Funzionerebbe come materia oscura.

Una galassia a spirale come la Via Lattea ruota come mostrato a destra, non a sinistra, indicando la presenza di materia oscura. Non solo tutte le galassie, ma anche gli ammassi di galassie e persino la ragnatela cosmica su larga scala richiedono che la materia oscura sia fredda e graviti fin dai primi tempi dell'Universo.

( Credito : Ingo Berg/Wikimedia Commons; Ringraziamento: E. Siegel)

Eppure, non può spiegare la materia oscura che abbiamo nel nostro Universo. Questo per un semplice motivo: anche se i fotoni hanno massa, dobbiamo chiederci: "quanta energia possiedono effettivamente i fotoni che abbiamo nell'Universo?" La risposta, anche per i fotoni con la lunghezza d'onda più lunga e l'energia più bassa, è "molta, molta più energia della massa a riposo massima consentita che potrebbero avere". Infatti, se vuoi che i tuoi fotoni si muovano a velocità lente rispetto a quella della luce, dovrebbero allungarsi in modo che la loro lunghezza d'onda sia maggiore di circa 1 miliardo di chilometri: un po' più grande della distanza approssimativa dal Sole a Giove.

Questo è l'intero problema: la materia oscura non cade solo in enormi grumi che sono già presenti nell'Universo. Invece, la materia oscura guida la formazione iniziale di massicci ammassi nell'Universo, ed è la ragione principale per cui la struttura su larga scala che vediamo si forma come fa. Ciò significa che la materia oscura deve muoversi in modo non relativistico, oa basse velocità rispetto alla velocità della luce, dai primissimi tempi in poi. Ecco perché, a volte, sentirai una distinzione tra materia oscura calda, calda e fredda. L'Universo si preoccupa molto della velocità con cui la materia oscura si muoveva in ogni momento rispetto alla velocità della luce.

Le strutture di materia oscura che si formano nell'Universo (a sinistra) e le strutture galattiche visibili che ne risultano (a destra) sono mostrate dall'alto in basso in un Universo di materia oscura freddo, caldo e caldo. Dalle osservazioni che abbiamo, almeno il 98%+ della materia oscura deve essere fredda o calda; caldo è escluso.

( Credito : ITP, Università di Zurigo)

Per essere d'accordo con le osservazioni che abbiamo, praticamente un intero 100% della materia oscura che è là fuori deve essere fredda, il che significa che deve essersi mossa lentamente rispetto alla velocità della luce anche nei primi tempi: anche quando l'Universo era più caldo, più denso e più energico di quanto non lo sia oggi.

In effetti, l'Universo è in realtà pieno di una forma di materia oscura calda: i neutrini, che sono stati creati in numero enorme, insieme ai fotoni, nelle prime fasi del caldo Big Bang. I neutrini hanno una massa a riposo che è almeno un fattore di un trilione maggiore della massa più grande possibile che un fotone può avere e non si muovono lentamente rispetto alla velocità della luce finché l'Universo non ha già centinaia di milioni di anni.

I fotoni, anche quelli a più bassa energia, si muoverebbero comunque velocemente rispetto alla velocità della luce. Anche se avessero una massa, e anche se si comportassero come materia oscura, non potrebbero spiegare la materia oscura che abbiamo effettivamente nell'Universo. I loro effetti astrofisici non spiegherebbero correttamente le osservazioni di galassie, ammassi di galassie, la rete cosmica e le imperfezioni che osserviamo nel fondo cosmico a microonde. La materia oscura deve essere qualcos'altro.

Gli assioni, uno dei principali candidati per la materia oscura, possono essere convertiti in fotoni (e viceversa) nelle giuste condizioni. Se riusciamo a causare e controllare la loro conversione, potremmo scoprire la nostra prima particella oltre il Modello Standard e forse risolvere anche i problemi di materia oscura e CP forte. Ma il fotone, da solo, non può essere la materia oscura di cui il nostro Universo ha bisogno.

( Credito : Sandbox Studio, Chicago, Symmetry Magazine/Femilab e SLAC)

L'unico modo in cui i fotoni massicci potrebbero, in linea di principio, spiegare la materia oscura che possediamo nell'Universo è se fossero stati creati in qualche modo dopo il Big Bang praticamente senza alcuna energia cinetica: se in qualche modo fossero nati freddi. Anche se sembra strano, in realtà c'è una particella di materia oscura candidata che ha una massa minuscola e viene fornita con un meccanismo per produrle a riposo: l'assione .

Sebbene il fotone come lo conosciamo non rispetti queste regole, i teorici hanno escogitato modifiche molto intelligenti alle possibili regole e un fotone modificato più un meccanismo aggiuntivo per farli nascere, a energie molto basse , in numero molto elevato o un tipo correlato di particella nota come fotone oscuro potrebbe potenzialmente diventare una sorta di candidato alla materia oscura. Tuttavia, la luce come descritta dalle regole che conosciamo, che sono l'elettrodinamica di Maxwell e l'elettrodinamica quantistica di Feynman, si comporta come radiazione, non come materia di alcun tipo.

Ci sono molte possibilità là fuori per ciò che potrebbe potenzialmente essere la materia oscura. Sfortunatamente, nessuna delle particelle del Modello Standard, incluso anche un fotone massiccio, è in grado di fare il lavoro.

Originariamente pubblicato su bigthink