L’85% della massa dell’Universo è materia oscura, la misteriosa sostanza di cui avvertiamo gli effetti gravitazionali, ma non sappiamo assolutamente di cosa sia fatta. Sulla natura delle inafferrabili particelle prevalgono due correnti di pensiero: da una parte ci sono i sostenitori della materia oscura “fredda” con particelle relativamente lente, dall’altra i fautori della materia oscura “calda” in cui le particelle si muovono a velocità relativistiche.
In quest’ultima categoria sono considerati candidati promettenti gli assioni, ipotetiche particelle prive di carica elettrica, con massa presunta di molte volte inferiore all’elettrone e capaci di interagire con la materia ordinaria in modo estremamente debole. Per tale ragione è considerata una particella fantasma. C’è tuttavia la possibilità che gli assioni, se esistono, possano trasformarsi in fotoni e viceversa quando sono immersi in intensi campi magnetici, in base all’effetto Primakoff, e tale proprietà è sfruttata negli esperimenti che ne tentano la rivelazione, sinora senza successo.
Gli assioni dovrebbero essere abbondantissimi ovunque, anche nelle stelle. Una stella massiccia sarebbe quindi un ottimo laboratorio naturale dove verificare le proprietà degli assioni, prodotti nel suo nucleo dalla conversione in fotoni, grazie al campo magnetico generato da particelle cariche. Essendo emissione elettromagnetica può essere agevolmente rivelata ed è quello che ha fatto un team internazionale guidato da Mengjiao Xiao del MIT, di cui fanno parte i teorici italiani, Maurizio Giannotti (Barry University), Alessandro Mirizzi (INFN Sezione di Bari) e Oscar Straniero (INAF, Osservatorio Astronomico d’Abruzzo) ai quali è stato demandato di calcolare il flusso atteso di assioni emesso dalla supergigante rossa Betelgeuse in base ai più recenti modelli stellari.
Il team ha ipotizzato che nel tragitto percorso dagli assioni verso la Terra, avvenga la riconversione nel campo magnetico galattico ed ha ottenuto di osservare la supergigante rossa Betelgeuse con l’Osservatorio NuSTAR della NASA, compiendo la prima osservazione dedicata della stella in raggi X.
Situata a circa 600 anni luce dalla Terra, questa enorme stella un giorno esploderà come supernova, ma dovrebbe anche essere un’intensa fonte di assioni. Tuttavia, quando il gruppo ha cercato la firma delle inafferrabili particelle nei raggi X, non l’ha trovata. Lo studio quindi esclude l’esistenza di assioni in grado di interagire con i fotoni in un ampio spettro di energie. I risultati mettono però i paletti alle proprietà di tali ipotetiche particelle. Il risultato nullo esclude infatti un’ampia fetta di possibilità e stabilisce un limite superiore tre volte più forte rispetto ad altri esperimenti che ne abbiano tentato la rivelazione in laboratorio.
Anche le esplosioni di supernova dovrebbero essere delle intense fonti di assioni e se queste particelle entrano in un campo magnetico dovrebbero trasformarsi in fotoni con un’energia caratteristica. Anche il nostro Sole dovrebbe essere una fonte relativamente intensa e alcuni esperimenti ne tentano la rivelazione grazie a questo processo, ma la nostra stella non è un soggetto facile perché emette una grande quantità di radiazione X anche come intensi brillamenti. Per tale ragione il gruppo di ricercatori ha scelto Betelgeuse perché le supergiganti rosse, di norma, non emettono in tale regione dello spettro elettromagnetico quindi un eventuale emissione sarebbe stata immediatamente riconosciuta e ricondotta solo all’emissione di assioni.
Il team ha quindi modellato come potrebbe apparire il segnale a raggi X degli assioni, in base a stime di massa nonché l’intervallo di probabilità in cui gli assioni si accoppiano e riconvertono in fotoni, cercandone la firma nei dati raccolti da NuSTAR che ha osservato Betelgeuse per quasi 14 ore. Nonostante il lungo tempo di esposizione, non è stato trovato nulla al di sopra del rumore di fondo previsto fuori da qualsiasi sorgente astrofisica di raggi X.
“Betelgeuse è probabilmente nelle ultime fasi dell’evoluzione e in tal caso dovrebbe avere una grande probabilità di convertire assioni. Ma i dati sono dati”, ha dichiarato Xiao. In sostanza, il risultato ottenuto indica che se gli assioni esistono, hanno massa ultraleggera e devono avere almeno tre volte meno probabilità di accoppiarsi ai fotoni emettendo raggi X rilevabili. La mancata rivelazione non esclude comunque l’esistenza di queste particelle però significa che bisogna cercare in altre bande energetiche oppure sperare in tempi ragionevoli in una supernova galattica relativamente vicina.
