La materia oscura, la più famosa ospite invisibile dell'universo, si ritiene costituisca la maggior parte della materia del cosmo - eppure nessuno può vederla, toccarla o farla rispondere a un invito. A differenza della materia ordinaria, si rifiuta di interagire con la luce o le forze elettromagnetiche, lasciando la gravità come unico modo noto per rilevare la sua presenza. Ora, i ricercatori pensano che i buchi neri in collisione potrebbero finalmente dare a questa sostanza elusiva un motivo per mostrarsi.

I fisici del MIT e di diverse istituzioni europee hanno sviluppato un metodo per individuare possibili segnali di materia oscura nascosti nelle onde gravitazionali - quelle increspature nello spaziotempo create quando oggetti massicci come i buchi neri spiraleggiano insieme e si fondono. Se quei buchi neri viaggiano attraverso dense nubi di materia oscura prima di scontrarsi, le onde gravitazionali risultanti potrebbero portare tracce sottili di quell'interazione, come un'impronta cosmica su una finestra. Il team ha testato il loro approccio utilizzando dati pubblicamente disponibili da LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), la rete internazionale di osservatori di onde gravitazionali che monitora le fusioni di buchi neri e altri eventi cosmici distanti.

I ricercatori hanno analizzato i segnali dei primi tre periodi di osservazione di LVK, concentrandosi su 28 degli eventi di onde gravitazionali più chiari rilevati finora. Per 27 di questi eventi, i segnali corrispondevano a ciò che gli scienziati si aspetterebbero da buchi neri che si fondono nello spazio vuoto - affari come al solito nel vuoto. Ma un segnale, noto come GW190728, appariva diverso. Secondo l'analisi del team, il modello di quell'onda gravitazionale potrebbe contenere prove di un'interazione con la materia oscura. I ricercatori sottolineano che questo non conta come una scoperta confermata - più come un'indizio promettente in un caso freddo cosmico.

"Sappiamo che la materia oscura è intorno a noi. Deve solo essere abbastanza densa perché possiamo vedere i suoi effetti," dice Josu Aurrekoetxea, un postdoc nel Dipartimento di Fisica del MIT. "I buchi neri forniscono un meccanismo per aumentare questa densità, che ora possiamo cercare analizzando le onde gravitazionali emesse quando si fondono." I risultati appaiono in Physical Review Letters, co-autori Aurrekoetxea, il membro LVK Soumen Roy dell'Université Catholique de Louvain (UCLouvain) in Belgio, Rodrigo Vicente dell'Università di Amsterdam, Katy Clough della Queen Mary University di Londra e Pedro Ferreira dell'Università di Oxford.

La materia oscura rimane uno dei più grandi imbarazzi della fisica - gli scienziati ne deducono l'esistenza perché la gravità intorno alle galassie appare più forte di quanto la sola materia visibile possa spiegare, e le osservazioni di lente gravitazionale mostrano una massa extra che piega la luce. Le stime attuali suggeriscono che la materia oscura potrebbe costituire più dell'85% della materia nell'universo, ma i ricercatori ancora non sanno cosa sia realmente. Una forma proposta coinvolge particelle estremamente leggere chiamate particelle "scalari leggeri", che le teorie suggeriscono possano comportarsi come onde coordinate vicino ai buchi neri. Gli scienziati credono che quando queste onde incontrano un buco nero in rapida rotazione, l'energia rotazionale del buco nero può trasferirsi nelle onde di materia oscura, aumentando drammaticamente la loro densità - un processo noto come superradianza, che è stato paragonato a montare la panna in burro. (Non siamo sicuri che la materia oscura abbia sapore di burro, ma l'analogia regge.) Se la densità diventa abbastanza alta, la materia oscura potrebbe alterare le onde gravitazionali prodotte quando i buchi neri collidono.

Per indagare, i ricercatori hanno costruito simulazioni dettagliate di fusioni di buchi neri in molte condizioni diverse, variando fattori come le masse e le dimensioni dei buchi neri, la quantità di materia oscura circostante e la sua densità. Usando quelle simulazioni, il team ha previsto come apparirebbero le onde gravitazionali se i buchi neri si fondessero all'interno di un ambiente denso di materia oscura piuttosto che nel vuoto, e ha tenuto conto di come quelle onde cambierebbero mentre viaggiano attraverso milioni di anni luce verso la Terra. Confrontando le loro previsioni con le osservazioni reali di LVK, GW190728 è stato l'unico evento su 28 che ha mostrato