Il 19 settembre 2025
feature di Ingrid Fadelli, Phys.org
scrittrice collaboratrice
curato da Sadie Harley, revisionato da Robert Egan
redattore scientifico
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La materia oscura è un tipo evasivo di materia che non emette, riflette o assorbe luce, ma è prevista per rappresentare la maggior parte della massa dell'universo. Poiché non può essere rilevata e studiata mediante tecniche sperimentali convenzionali, la natura e la composizione della materia oscura non sono ancora state scoperte.
Uno dei candidati alla materia oscura più promettenti (ossia particelle ipotetiche di cui potrebbe essere composta la materia oscura) sono gli axioni. La teoria suggerisce che gli axioni potrebbero convertirsi in particelle di luce (ossia fotoni) in determinate condizioni, il che potrebbe a sua volta generare segnali che possono essere captati da apparecchiature sofisticate.
In campi magnetici forti, come quelli che circondano stelle di neutroni con grandi campi magnetici (ossia magnetar), la conversione degli axioni in fotoni è stata prevista per generare segnali radio deboli che potrebbero essere rilevati utilizzando potenti radio-telescopi basati sulla Terra o nello spazio.
I ricercatori dell'Istituto Politecnico di Lisbona e di altri istituti hanno recentemente dimostrato che alcuni di questi segnali radio potrebbero perdersi prima di attraversare lo spazio a causa delle interazioni tra gli axioni e il plasma nelle magnetosfere dei magnetar, regioni intorno alle stelle di neutroni in cui dominano i campi magnetici.
Il loro articolo, pubblicato nelle Lettere di Revisione Fisica, potrebbe fornire informazioni per il perfezionamento delle strategie volte al rilevamento degli axioni di materia oscura utilizzando radio-telescopi.
"Il nostro studio è partito da una semplice conversazione sul 'cosa succede se' con i miei co-autori," ha detto Hugo Terças, professore associato presso l'Instituto Superior de Engenharia de Lisboa e primo autore dell'articolo, a Phys.org.
"Stavamo svolgendo idee su come gli axioni potrebbero interagire con i plasmoni, che sono fondamentalmente le 'onde' collettive in un plasma. Una volta realizzato che poteva avvenire una conversazione tra di loro, il passo successivo logico è stato trovare il luogo perfetto nell'universo dove questo poteva accadere."
Dopo aver dibattuto sulle possibili condizioni in cui gli axioni potrebbero interagire con il plasma, i ricercatori hanno identificato l'ambiente estremo atteso attorno ai magnetar. Questa regione dello spazio, nota come magnetosfera, offriva alla fine uno scenario ideale in cui testare la loro idea.
"Immagina che i ricercatori precedenti stessero ascoltando una nota specifica da un flauto lontano (il segnale di axioni)," ha spiegato Terças.
"Hanno calcolato quanto forte dovesse essere quella nota. Il nostro lavoro ha scoperto che il flauto ha una fuga. Prima che il suono ci raggiunga, un po' di aria (qui, gli axioni) sfugge attraverso questa perdita in uno strumento diverso che è muto e non può essere udito (i plasmoni). Quindi, la nota che stiamo cercando di ascoltare è molto più silenziosa di quanto calcolato."
Essenzialmente, Terças e i suoi colleghi hanno condotto un'ampia analisi finalizzata a misurare fino a che punto i segnali associati alla conversione degli axioni in fotoni 'deaergizzerebbero' a causa delle interazioni con i plasmoni (ossia particelle di plasma).
I loro risultati suggeriscono che tenendo conto di questa fuga, i segnali in viaggio nello spazio sarebbero molto più deboli di quanto originariamente previsto, il che significa che i radio-telescopi dovranno essere molto più sensibili di quanto non lo siano ora per rilevarli.
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"Credo che la parte più entusiasmante del nostro lavoro sia quanto universale sia questo meccanismo sottostante," ha detto Terças. "Lo abbiamo scoperto nel contesto estremo della materia oscura e dei magnetar, ma è un processo fondamentale che emerge ovunque in fisica. Un esempio perfetto è nella ricerca sulla fusione nucleare, nei reattori a forma di ciambella chiamati tokamak.
"Gli scienziati utilizzano questo stesso principio per riscaldare il plasma: inviano onde elettromagnetiche, che si convertono in onde di plasma e depositano la loro energia, riscaldando il sistema. È la stessa fisica!
Interessante, l'effetto relativo all'interazione dei plasmoni descritto dai ricercatori potrebbe essere rilevante anche per altri temi oltre alla fisica della materia oscura. Infatti, il loro articolo offre un nuovo quadro che potrebbe plasmare la comprensione della conversione di energia in una vasta gamma di sistemi fisici.
'Il nostro studio mostra come la fisica fondamentale collega campi apparentemente non correlati,' ha detto Terças. 'Il nostro grande piano per la ricerca futura è capovolgere completamente lo scenario. Al momento, la ricerca con i radiotelescopi è passiva—gli astronomi stanno aspettando che una stella lontana ci mandi un segnale. Vogliamo passare da ascoltatori passivi a creatori attivi.'
Come parte del loro lavoro futuro, Terças e i suoi colleghi sperano anche di realizzare con successo gli assioni all'interno del loro laboratorio. Per avere successo in questo progetto, dovrebbero prima creare una sorta di 'plasma sintetico'.
'Un 'plasma sintetico' è un materiale progettato che imita le condizioni estreme della magnetosfera di un magnetar ma su un tavolo,' ha aggiunto Terças.
'Ciò ci permetterebbe di regolare l'ambiente e creare essenzialmente le condizioni perfette per indurre gli assioni a comparire attraverso il meccanismo di conversione che abbiamo scoperto. È un modo molto più diretto per cacciarli.'
Scritto per voi dal nostro autore Ingrid Fadelli, editato da Sadie Harley e verificato da Robert Egan—questo articolo è il risultato di un accurato lavoro umano. Facciamo affidamento su lettori come voi per mantenere in vita il giornalismo scientifico indipendente.
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Ulteriori informazioni:
H. Terças et al, Resonant Axion-Plasmon Conversion in Neutron Star Magnetospheres, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5hbb-yy48.
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Physical Review Letters
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