OLTRE IL MODELLO STANDARD

Assioni e progenitori di supernove

Quando esplodono, le supernova di tipo IIP brillano un po’ meno di quanto i calcoli degli astronomi prevederebbero. Dove e come avviene la perdita d’energia? Uno studio condotto da Oscar Straniero dell’Osservatorio astronomico Inaf d’Abruzzo, pubblicato lo scorso mese su The Astrophysical Journal, suggerisce un’ipotesi affascinante: i “responsabili” della perdita potrebbero essere particelle ancora ipotetiche – gli assioni

L’immagine mostra la galassia M74 osservata prima dell’esplosione della SN2003gd. Nel riquadro ingrandito la freccia indica la posizione del progenitore. L’immagine è stata ottenuta con il Gemini Multi-Object Spectrograph (Gmos) istallato sul telescopio Gemini North Telescope nelle isole Hawaii. Crediti: Gemini Observatory/JR Maund, SJ Smartt

I progenitori delle supernove IIP, un tipo molto comune di esplosioni stellari, sembrerebbero meno brillanti di quanto ci si aspettasse. Uno studio guidato da Oscar Straniero dell’Inaf-Osservatorio astronomico d’Abruzzo, pubblicato su The Astrophysical Journal, mostra che la soluzione di questo problema va ricercata nella perdita di energia causata dalla produzione di particelle elementari, come gli assioni, che non sono previste dal Modello standard.

Le esplosioni di stelle chiamate supernove sono tra gli eventi più spettacolari che ci regala l’universo. Le stelle progenitrici – chiamate semplicemente “progenitori” – delle supernove di tipo IIP sono supergiganti rosse, con raggi fino a mille volte il raggio solare, che prima di esplodere generano nuclei instabili, ricchi di ferro. Paradossalmente, il motore dell’esplosione è un’implosione: il nucleo della stella collassa fino a formare una stella di neutroni o un buco nero. Nel primo caso, gli strati esterni, in caduta libera, rimbalzano sulla superficie della neonata stella di neutroni acquistando velocità supersoniche. La supernova è il risultato di questo rimbalzo.

Studi recenti stimano che le masse delle supergiganti rosse che danno vita a questi fenomeni spettacolari dovrebbero essere tra 10 e 20 volte la massa del Sole. Cercando nelle immagini conservate negli archivi dei più potenti telescopi, come l’Hubble Space Telescope, è stato possibile individuare i “progenitori” di alcune di queste supernove prima dell’esplosione finale. Queste immagini confermano che si tratta di stelle supergiganti rosse, ma la loro luminosità è inferiore a quella che ci si aspettava.

Nel loro studio, Straniero e colleghi hanno investigato le possibili cause di questa discrepanza. Per prima cosa hanno escluso che all’origine del problema vi siano gli effetti di vari fenomeni astrofisici noti, come la rotazione stellare o gli scambi di massa nei sistemi binari stretti. Hanno quindi considerato fenomeni non-standard, come quelli previsti da possibili estensioni della teoria del Modello standard, quella che descrive le interazioni fondamentali: elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole.

La luminosità delle stelle è il risultato del bilanciamento tra i processi fisici che producono energia, come le reazioni termonucleari, e quelli che fanno perdere energia. Nelle fasi precedenti l’esplosione di una supergigante rossa, le perdite di energia sono principalmente dovute alla conversione dei fotoni in neutrini all’interno dei nuclei caldi di queste stelle. I neutrini sono particelle che interagiscono molto debolmente con la materia stellare, fatta di nuclei atomici ed elettroni. Una volta prodotti, i neutrini scappano via sottraendo parte dell’energia termica alla stella. Il team di ricerca ha mostrato che la perdita di energia causata dalla produzione di neutrini non è sufficiente a spiegare le luminosità osservate. Tuttavia, i processi termici che producono neutrini possono produrre anche altri tipi di particelle elementari, anch’esse debolmente interagenti con la materia stellare, che a differenza dei neutrini non sono incluse tra quelle del Modello standard.

Il sospettato numero uno è l’assione, una particella la cui esistenza fu ipotizzata già negli anni ’70 per risolvere un annoso problema della teoria, ossia la simmetria CP (Carica-Parità) delle interazioni forti. Le equazioni che descrivono le interazioni fondamentali non sono infatti simmetriche per una variazione simultanea di carica e parità. È noto da tempo che le interazioni deboli violano questa simmetria, in accordo con la teoria. Al contrario, le interazioni forti la conservano, in contrasto con la teoria. Per recuperare la simmetria CP, alcuni fisici teorici hanno quindi ipotizzato l’esistenza di un nuovo campo scalare, per certi versi simile al famoso campo di Higgs. Questo nuovo campo, con un meccanismo molto simile a quello che ha generato il bosone di Higgs, si sarebbe attivato nell’universo primordiale a seguito di una rottura di simmetria (symmetry breaking) generando una nuova particella di massa piccola e molto elusiva: l’assione. Gli assioni sono anche considerati ottimi candidati per le particelle di cui sarebbe composta la materia oscura. Proprio per le loro caratteristiche, piccola massa e debole reattività con le altre particelle standard, gli assioni potrebbero essere responsabili della anomala perdita di energia nelle supergiganti rosse.

Nonostante gli sforzi fin qui profusi, gli assioni non sono stati ancora rivelati dagli esperimenti che hanno provato a cercarli. Tuttavia, stando alle stime nello studio sui progenitori delle supernove IIP condotto da Straniero e colleghi, se gli assioni fossero effettivamente la soluzione al problema della luminosità, gli esperimenti di prossima generazione – come il telescopio solare Iaxo e, probabilmente, il suo precursore baby-Iaxo – potrebbero essere finalmente in grado di individuarli.

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