ECCESSO CONSISTENTE CON ASSIONI DI MASSA MINORE A 20 MICROELETTRONVOLT

Lo spettro degli assioni in sette stelle di neutroni

Un nuovo studio recentemente pubblicato su Physical Review Letters suggerisce che all’origine dell’inaspettata emissione X ad alta energia intorno alle Magnifiche 7 – sette stelle di neutroni piuttosto vicine alla Terra e caratterizzate da forti campi magnetici – potrebbero esserci gli assioni

     20/01/2021
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Impressione artistica del telescopio spaziale Xmm-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission). Uno studio sui dati d’archivio dei telescopi spaziali a raggi X Xmm-Newton e Chandra, ha trovato prove di alti livelli di emissione X dalle stelle di neutroni conosciute come Magnifiche Sette, che potrebbero derivare dalle ipotetiche particelle note come assioni. Crediti: D.Ducros, Esa / Xmm-Newton, CC BY-SA 3.0 IGO

Uno studio pubblicato su Physical Review Letters suggerisce che gli assioni – ipotetiche particelle finora mai osservate – potrebbero essere la sorgente di emissione X ad alta energia che circonda alcune stelle di neutroni. Teorizzati per la prima volta negli anni ’70 per cercare di risolvere il problema della CP forte, ci si aspetta che gli assioni siano prodotti nel nucleo delle stelle di neutroni e vengano convertiti in fotoni X in presenza di campi magnetici. Si pensa siano i costituenti della materia oscura, che sebbene rappresenta circa l’85 percento della massa totale dell’universo, è invisibile se non per gli effetti gravitazionali che si riescono a osservare sulla materia ordinaria.

Se gli assioni esistessero – e potrebbero essere prodotti in abbondanza all’interno delle stelle – ci si aspetterebbe da loro un comportamento molto simile a quello dei neutrini, poiché entrambi sono caratterizzati da masse molto piccole e interagiscono solo molto raramente e debolmente con altra materia. All’interno delle stelle di neutroni, i neutroni – interagendo occasionalmente – potrebbero rilasciare neutrini, o forse anche assioni. Il processo di emissione di neutrini è il processo principale con cui le stelle di neutroni si raffreddano nel tempo. Come i neutrini, gli assioni sarebbero in grado di viaggiare al di fuori della stella e interagire con i forti campi magnetici che la circondano.

Un bel banco di prova per l’esistenza degli assioni è stato recentemente fornito da un gruppo di stelle di neutroni scoperte dal satellite Rosat – noto come le Magnifiche 7 – che oltre a possedere potenti campi magnetici – miliardi di volte più forti dei campi magnetici che possono essere prodotti sulla Terra – sono relativamente vicine (tra 400 e 1600 anni luce dalla Terra) e per le quali ci si aspettava solo un’emissione X a bassa energia (soft), oltre che luce ultravioletta. Invece, non è stato così.

Immagine X di Rx J1856.5−3754, una stella di neutroni che fa parte delle Magnifiche Sette, la più vicina alla Terra. Ogni lato dell’immagine è 20 secondi d’arco. Crediti: WikiMedia Commons

I ricercatori hanno trovato un eccesso di emissione di raggi X duri (hard) nell’intervallo di energia 2-8 keV, nelle vicinanze delle Magnifiche 7, che potrebbe essere spiegato da questo meccanismo di emissione. Tale eccesso, dicono, è consistente con l’esistenza di particelle tipo assioni aventi una massa minore o circa uguale a 20 microelettronvolt.

Attenzione però, gli autori non hanno concluso di aver trovato gli assioni, bensì che l’eccesso di fotoni X potrebbe essere ben spiegato con l’intervento degli assioni. È del tutto possibile che esista una spiegazione alternativa agli assioni per l’eccesso di radiazione X osservato, sottolineano, anche se probabilmente tale spiegazione non rientra nel Modello standard della fisica delle particelle poiché, al momento, non esiste alcuna spiegazione astrofisica convenzionale che lo giustifichi. D’altra parte, se l’eccesso di raggi X rilevato provenisse da uno o più oggetti che si nascondono dietro le stelle di neutroni, probabilmente sarebbe stato visto anche nei dati di Xmm-Newton dell’Agenzia spaziale europea e di Chandra della Nasa.

Parte della ricerca è stata svolta presso l’Università del Michigan, che insieme al Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha permesso di condurre il supercalcolo ad alte prestazioni con il quale è stata fatta l’elaborazione e l’analisi dei dati. È infatti necessario modellare l’interno di una stella di neutroni per prevedere quanti assioni dovrebbero essere prodotti all’interno di quella stella. Come passo successivo in questa ricerca, gli autori intendono studiare le nane bianche, che rappresentano un luogo privilegiato per la ricerca degli assioni poiché hanno campi magnetici molto forti e dovrebbero essere “prive” di raggi X.

Cast (Cern axion solar telescope) si muove su una rotaia per seguire il Sole (per un’ora e mezza all’alba e un’ora e mezza al tramonto), alla ricerca di assioni. Crediti: Cern

Sulla Terra esistono diversi esperimenti che stanno dando la caccia agli assioni – come Cast (Cern Axion Solar Telescope) al Cern e Alps II in Germania – che ultimamente stanno ricevendo molta più attenzione rispetto al passato, soprattutto dopo che una serie di esperimenti non è riuscita a rilevare alcuna traccia delle Wimp. Potrebbero esserci centinaia di particelle simili agli assioni – la famiglia delle Alp (Axion-like particles) – che potrebbero costituire la materia oscura, e la teoria delle stringhe – una teoria alternativa per descrivere le forze dell’universo – tiene aperta la porta all’esistenza di molti tipi di Alp.

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