La Terra potrebbe avere un'acconciatura di materia oscura

La materia ordinaria, cioè quella visibile formata da elettroni, protoni e neutroni, è solo il 5 per cento della massa dell'Universo, il restante è materia oscura ed energia oscura, un altro strano fenomeno associato all'espansione dell'Universo. Ora, un nuovo studio, guidato da Gary Prézeau del Jet Propulsion Laboratory della NASA e pubblicato sulla rivista Astrophysical Journal, ha proposto l'esistenza di lunghi filamenti di materia oscura, simili a capelli, attorno ai pianeti.

Il nome di per sé la rende già piuttosto misteriosa ma in realtà viene definita "oscura" perché a differenza della materia ordinaria non emette radiazione elettromagnetica in nessuna lunghezza d'onda. Ne percepiamo però l'esistenza perché manifesta un'attrazione gravitazionale come qualsiasi altro corpo con massa non nulla. In particolare, possiamo dire che la materia oscura è "cold" (fredda), cioè è formata da particelle lente che si muovono poco, e "dark" (scura), cioè non produce luce né interagisce con essa ( Cold Dark Matter).

Secondo gli studi iniziati negli anni '90 e le simulazioni condotte negli ultimi dieci anni, ci sono flussi di materia oscura, " fine-grained streams", che si muovono alla stessa velocità e orbita delle galassie come la nostra, le quali si formano proprio a causa delle fluttuazioni nella densità della materia oscura mentre la gravità agisce da collante tra quest'ultima e la materia ordinaria.
"Un flusso può essere molto più grande del Sistema Solare e molte correnti attraversano i nostri vicinati galattici", ha spiegato Prézeau nella press release. "Quando la gravità interagisce con la cold dark matter durante la formazione delle galassie, tutte le particelle all'interno del flusso continuano a viaggiare alla stessa velocità", ha aggiunto.

Ma cosa succede quando uno di questi fiumi di materia oscura si avvicina ad un pianeta come la Terra?
Prézeau ha costruito dei modelli computerizzati per scoprirlo.

La sua analisi mostra che quando un flusso di materia oscura passa attraverso un pianeta, le particelle del flusso si concentrano in filamenti ultra-densi, o "capelli", di materia oscura: ce ne dovrebbero essere diversi che spuntano anche dalla Terra!
La materia ordinaria, infatti, non può passare attraverso un pianeta ma per la materia oscura non c'è alcun ostacolo. Verrebbe, tuttavia, influenzata dalla gravità del corpo che la modellerebbe da flusso in densi filamenti.
Proprio come dei capelli, questi filamenti avrebbero le loro radici a circa 1 milione di chilometri dalla superficie della Terra (poco più del doppio della distanza Terra - Luna), dove la densità delle particelle sarebbe circa un miliardo di volte superiore alla media.

"Se riuscissimo ad individuare la posizione della radice di questi capelli, potremmo potenzialmente inviare una sonda e ottenere una miniera d'oro di dati sulla materia oscura", ha detto Prézeau.

Credit: NASA/JPL-Caltech

Un flusso che passa attraverso il nucleo di Giove produrrebbe radici anche più dense: quasi 1 trilione di volte più dense del flusso originale, secondo le simulazioni di Prézeau. In poche parole, un pianeta con una gravità maggiore avrebbe un'acconciatura di materia oscura più ricca.

In definitiva, comunque, questa non è la prima volta in cui gli scienziati ipotizzano che attorno ai pianeti possa esistere un "alone oscuro". L'idea è stata utilizzata per tentare di spiegare alcuni fatti curiosi, come ad esempio tutte le piccole variazioni non previste ma osservate durante i swing-by o fly-by delle sonde nelle manovre a gravità assistita.

Le simulazioni di Prézeau mostrano anche che i capelli di materia oscura riflettono i cambiamenti di densità all'interno del nostro pianeta, dal nucleo interno, al nucleo esterno, al mantello alla crosta, formando dei " nodi" corrispondenti alle transizioni tra i diversi strati della Terra.
Teoricamente, se fosse possibile ottenere queste informazioni, gli scienziati potrebbero usare i filamenti della Cold Dark Matter per tracciare gli strati interni di qualsiasi corpo planetario e per dedurre le profondità degli oceani nelle lune ghiacciate.

Dense Dark Matter Hairs Spreading Out from Earth, Jupiter and Other Compact Bodies [abstract]

It is shown that compact bodies project out strands of concentrated dark matter filaments henceforth simply called hairs. These hairs are a consequence of the fine-grained stream structure of dark matter halos, and as such constitute a new physical prediction of ΛCDM. Using both an analytical model of planetary density and numerical simulations utilizing the Fast Accurate Integrand Renormalization (FAIR) algorithm (a fast geodesics calculator described below) with realistic planetary density inputs, dark matter streams moving through a compact body are shown to produce hugely magnified dark matter densities along the stream velocity axis going through the center of the body. Typical hair density enhancements are 107 for Earth and 108 for Jupiter. The largest enhancements occur for particles streaming through the core of the body that mostly focus at a single point called the root of the hair. For the Earth, the root is located at about 106~km from the planetary center with a density enhancement of around 109 while for a gas giant like Jupiter, the root is located at around 105~km with a enhancement of around 1011. Beyond the root, the hair density precisely reflects the density layers of the body providing a direct probe of planetary interiors.