Le stelle di bosoni sono tra gli oggetti teorici più strani: invisibili e trasparenti. Previste dalla relatività generale, sono in grado di crescere fino a milioni di masse solari

L’anno scorso, la comunità astronomica ha ottenuto una meraviglia assoluta. Per la prima volta, il mondo ha messo gli occhi su un’immagine reale dell’ombra di un buco nero. È stato il culmine di anni di lavoro, un magnifico risultato tra la collaborazione umana e l’ingegno tecnico. E, come le migliori scoperte scientifiche, ha aperto un intero nuovo mondo di ricerca. Per un team guidato dall’astrofisico Hector Olivares della Radboud University nei Paesi Bassi e della Goethe University in Germania, l’indagine era: come sappiamo che M87 * è un buco nero? “Sebbene l’immagine sia coerente con le nostre aspettative su come sarebbe un buco nero, è importante essere sicuri che ciò che stiamo vedendo sia davvero ciò che pensiamo“, ha detto Olivares. “Analogamente ai buchi neri , le stelle bosoniche sono previste dalla relatività generale e sono in grado di crescere fino a milioni di masse solari e raggiungere una compattezza molto elevata. Il fatto che condividano queste caratteristiche con i buchi neri supermassicci ha portato alcuni autori a proporre che alcuni degli oggetti compatti supermassicci situati al centro delle galassie potrebbero in realtà essere stelle di bosoni“.

Stelle di bosoni
Un buco nero non rotante, un buco nero rotante e una stella bosonica come apparirebbero all’EHT. Credit: Olivares et al., MNRAS, 2020

Come apparirebbe una stella di bosoni?

Quindi, in un nuovo articolo, Olivares e il suo team hanno calcolato come potrebbe apparire una stella di bosoni ai nostri occhi e come sarebbe diversa da un’immagine diretta di un buco nero in accrescimento. Le stelle di bosoni sono tra gli oggetti teorici più strani. Non sono molto simili alle stelle convenzionali, tranne per il fatto che sono un globo di materia. Ma dove le stelle sono costituite principalmente da particelle chiamate fermioni ( protoni, neutroni, elettroni), le stelle bosoniche sarebbero costituite interamente da bosoni. Queste particelle, inclusi i fotoni, i gluoni e il famoso bosone di Higgs, non seguono le stesse regole fisiche dei fermioni .

M87
L’immagine dell’orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio al centro della galassia M87. Credit: Event Horizon Telescope

I fermioni sono soggetti al principio di esclusione di Pauli, il che significa che non si possono avere due particelle identiche che occupano lo stesso spazio. I bosoni, tuttavia, possono essere sovrapposti; quando si uniscono, agiscono come un’unica grande particella o onda di materia. Lo sappiamo perché ciò è stato ricreato in laboratorio, producendo quello che chiamiamo condensato di Bose-Einstein. Nel caso delle stelle di bosoni, le particelle possono essere compresse in uno spazio che può essere descritto con valori distinti o punti su una scala. Dato il giusto tipo di bosoni nelle giuste disposizioni, questo “campo scalare” potrebbe cadere in una disposizione relativamente stabile.

Modello standard
Credit: sciencealert

Questa è almeno la teoria

Bosoni con la massa necessaria per formare una tale struttura, per non parlare di uno con la massa di un buco nero supermassiccio, devono ancora essere individuati. Se potessimo identificare una stella bosonica, avremmo effettivamente localizzato questa particella sfuggente. “Per formare una struttura grande quanto i buchi neri supermassicci, la massa del bosone deve essere estremamente piccola (meno di 10-17 elettronvolt)“, ha detto Olivares. “Bosoni di spin-0 con masse simili o minori compaiono in diversi modelli cosmologici e teorie delle stringhe, e sono stati proposti come candidati di materia oscura con nomi diversi (materia oscura di campo scalare, assioni ultraleggeri, materia oscura fuzzy, materia oscura delle onde quantistiche). Tali ipotetiche particelle sarebbero estremamente difficili da rilevare, ma l’osservazione di un oggetto che assomiglia a una stella bosonica indicherebbe la loro esistenza.

Stella di bosoni
Stella di bosoni. Credit: Olivares et al., MNRAS, 2020
Stelle trasparenti

Le stelle di bosoni non fondono nuclei e non emetterebbero alcuna radiazione. Sarebbero invisibili, proprio come i buchi neri. A differenza dei buchi neri, tuttavia, le stelle bosoniche sarebbero trasparenti: mancherebbero di una superficie in grado di assorbire e fermare i fotoni. I fotoni possono sfuggire alle stelle di bosoni, sebbene il loro percorso possa essere leggermente piegato dalla gravità. Ma alcune di esse potrebbero essere circondate da un anello rotante di plasma, molto simile al disco di accrescimento che circonda un buco nero: sarebbe come una ciambella luminosa con una regione scura all’interno. Quindi, Olivares ha eseguito simulazioni della dinamica di questi anelli di plasma e li ha confrontati con ciò che potremmo aspettarci di vedere da un buco nero.

La configurazione del plasma che utilizziamo non è impostata manualmente (in base a presupposti ragionevoli), ma risulta da una simulazione della dinamica del plasma. Ciò consente al plasma di evolversi nel tempo e di formare strutture come farebbe in natura“, Olivares ha spiegato. “In questo modo potremmo mettere in relazione la dimensione della regione oscura nelle immagini delle stelle bosoniche (che imita l’ombra di un buco nero) al raggio in cui un’instabilità del plasma smette di funzionare. A sua volta, questo significa che la dimensione della regione oscura dipenderà dalle proprietà dello spazio – tempo della stella bosonica e ci permette anche di prevedere le dimensioni di altre stelle bosoniche che non abbiamo simulato“.

Hanno scoperto che l’ombra delle stelle bosoniche sarebbe significativamente più piccola dell’ombra di un buco nero di massa simile. Pertanto, il team ha escluso che M87 * sia una stella bosonica: la massa dell’oggetto è stata dedotta dalla velocità di rotazione del gas intorno ad esso e l’ombra è troppo grande per essere prodotta da una stella di quella massa. Ma il team ha anche tenuto conto delle capacità tecniche e dei limiti dell’Event Horizon Telescope che ha fornito la prima immagine di un buco nero; pensavano che le stelle bosoniche potessero apparire come le immagini dell’EHT. Ciò significa che i loro risultati possono essere confrontati con le future osservazioni EHT per determinare se quello che stiamo guardando è davvero un buco nero supermassiccio.

Se non lo fosse, sarebbe un grosso problema. Non negherebbe l’esistenza dei buchi neri supermassicci: la gamma di masse per i buchi neri è troppo ampia per le stelle bosoniche. Suggerirebbe che le stelle di bosoni sono reali e ciò avrebbe enormi implicazioni per tutto, dall’inflazione dell’Universo primordiale alla ricerca della materia oscura. “Significherebbe che i campi scalari cosmologici esistono e giocano un ruolo importante nella formazione delle strutture nell’universo“, ha detto Olivares. “La crescita dei buchi neri supermassicci non è ancora ben compresa, e se si scoprisse che alcuni dei candidati sono in realtà stelle bosoniche, dovremmo pensare a diversi meccanismi di formazione che coinvolgono i campi scalari“.

Riferimenti:

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