Materia oscura e stelle di Bose
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Una simulazione mostra come nell'universo attuale possano già esistere stelle di Bose basate sulla materia oscura. Il prossimo step è capire quante stelle di questo tipo potrebbero essere presenti


Fonte D. G. Levkov et al, Gravitational Bose-Einstein Condensation in the Kinetic Regime, Physical Review Letters (2018)


A sinistra il momento di mix massimo, a destra la fase successiva alla formazione della stella di Bose. Crediti G. Levkov
A sinistra il momento di mix massimo, a destra la fase successiva alla formazione della stella di Bose. Crediti G. Levkov

Il condensato di Bose-Einstein (in sigla BEC, dall'inglese Bose–Einstein condensate) è uno stato della materia che si ottiene portando bosoni a temperature estremamente vicine allo zero assoluto. In tali condizioni parte delle particelle si porta nello stato quantistico di più bassa energia e gli effetti quantistici si manifestano su scala macroscopica. Questo stato della materia è stato previsto nel 1925 da Albert Einstein e dal fisico indiano Satyendranath Bose.
Nel 1995, ricercatori al JILA (programma congiunto del NIST e della University of Colorado) hanno annunciato il raggiungimento di una temperatura talmente bassa da produrre uno stato della materia del tutto nuovo, cioè quello predetto settanta anni prima da Einstein e Bose. L'articolo venne pubblicato su Science il 14 luglio 1995 a firma di Eric Cornell, Carl Wieman e colleghi e descriveva il raffreddamento di atomi di rubinio a meno di un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto (20 nanoKelvin). Gli atomi sono condensati in un "superatomo" in grado di comportarsi come una singola entità (condensazione di Einstein-Bose).

Un nuovo modello matematico descrive il moto delle particelle di materia oscura all'interno degli aloni più piccoli delle galassie: nel tempo, la materia oscura può formare delle goccioline sferiche di condensato quantistico. Precedentemente questo era considerato come impossibile poiché le fluttuazioni del campo gravitazionale prodotto dalle particelle di materia oscura venivano ignorate. 

La materia oscura è la forma di materia ipoteticamente avanzata nel modello cosmologico, una materia che non emette radiazione elettromagnetica e che per questo è molto difficile da provare in termini di esistenza. La velocità delle particelle di materia oscura è bassa e proprio per questo le galassie riescono a mantenerne le abbondanze. L'unica interazione tra materia oscura e materia ordinaria, oltre che tra particelle di materia oscura, è quella gravitazionale.

Ciascuna galassia è circondata da un alone di materia oscura di dimensione e massa superiori a quelle della materia visibile. 
Negli anni Ottanta venne realizzato come in particolari condizioni queste particelle possano essere prodotte nell'universo primordiale con una velocità pressoché nulla, senza riguardo alla massa. Potrebbero quindi essere anche particelle leggere. Come conseguenza, le distanze alle quali la natura quantistica di queste particelle si manifesta può essere molto ampia. Anziché una scala nanometrica, solitamente richiesta per l'osservazione di fenomeni quantistici in laboratorio, la scala quantistica per queste particelle potrebbe essere comparabile alla dimensione della zona centrale della galassia. 

Gli astronomi hanno osservato come le particelle di materia oscura, se bosoni con massa sufficientemente piccola, possano dar vita a una condensazione di Bose-Einstein negli aloni più piccoli della galassia o in sottostrutture ancora più piccole grazie alle interazioni gravitazionali. Queste sottostrutture includono aloni di galassie nane e mini-ammassi, sistemi formati soltanto da materia oscura. La condensazione di Bose-Einstein è uno stato delle particelle quantistiche che occupano i livelli energetici più bassi, con le energie minori. Una simile condensazione può essere prodotta in laboratorio a basse temperature a partire da atomi ordinari e mostra proprietà uniche come una superfluidità, l'abilità di passare attraverso piccoli fault senza subire frizioni. La materia oscura leggera nella galassia ha una velocità bassa e una concentrazione alta: in queste condizioni potrebbe formare una condensazione di Bose-Einstein ma affinché questo possa accadere le particelle di materia oscura devono interagire tra di loro, il che tuttavia avviene soltanto tramite gravità. 

Il nuovo lavoro mostra la simulazione del moto di gas quantistico interagente gravitazionalmente con le particelle di materia oscura. Si parte da uno stato di mix massimo, una sorta di opposto rispetto alla condensazione di Bose-Einstein, per passare in un periodo molto lungo - 100.000 volte più lungo di quanto necessario a una particella ad attraversare il volume della simulazione - a una situazione in cui le particelle spontaneamente formano una condensazione che si concretizza in una gocciolina sferica, una stella di Bose, sotto l'effetto gravitazionale. 
Una simile condensazione può formarsi al centro degli aloni delle galassie nane in un tempo più breve rispetto alla attuale età dell'universo, il che vuol dire che le stelle di Bose potrebbero esistere anche oggi. Proprio queste stelle di Bose potrebbero essere l'origine dei FRB attualmente inspiegabili in termini quantitativi. Particelle leggere di materia oscura, dette assioni, interagiscono con i campi elettromagnetici in maniera molto debole e possono decadere in radiofotoni con un effetto piccolo che, tuttavia, potrebbe essere amplificato dalla risonanza in laser all'interno delle stelle di Bose, portando ai giganti burst radio registrati.
Il team si prefigge ora di studiare il primordiale universo per verificare la presenza di condensazioni. Prossimo step è, inoltre, stimare il numero di stelle di Bose presenti nell'universo e calcolarne la massa.