Tutto parte da un campione di polvere e rocce dell’asteroide Bennu, raccolto nel corso della missione Osiris-Rex della Nasa tra il 2020 e il 2023. Polvere sì, ma di grande valore, perché racchiude informazioni sulla composizione dell’universo. E non è tutto: i dati sulla traiettoria di Bennu, raccolti durante i quasi due anni di operazioni ravvicinate, potrebbero aprire la possibilità di sondare una fisica del tutto nuova, quella della mitica 'quinta forza' che potrebbe fare da ponte tra il mondo, come lo conosciamo, e la materia oscura. E, finalmente, scovarla nel suo nascondiglio. Ne parliamo con Sunny Vagnozzi, ricercatore al Dipartimento di Fisica e uno dei cinque coautori di uno studio internazionale.
L’argomento è uno tra quelli più complessi e misteriosi della cosmologia. Ma anche forse tra quelli più affascinanti. Per parlare di materia oscura, partiamo però da ciò che sappiamo: la traiettoria di un oggetto celeste è influenzata dalla gravità e da altri fattori. Comprendere la fisica delle traiettorie e studiare in particolare le sue anomalie può aiutare a svelare alcuni misteri e a progredire nella conoscenza nel campo dell’astrofisica. Ad esempio, prima di essere effettivamente osservata, l’esistenza del pianeta Nettuno è stata dedotta dalla rilevazione di irregolarità nell'orbita del vicino pianeta Urano.
I dati della traiettoria dell’asteroide Bennu sono stati analizzati da un team di ricerca internazionale - composto da cinque ricercatori, di cui quattro italiani - per cercare di rilevare tracce dell’esistenza di una possibile quinta forza: della particella che agirebbe come mediatrice, alterandone la traiettoria. Questa nuova particella - un bosone ultraleggero - potrebbe essere il tassello che oggi manca nella comprensione dell’universo.
L’esistenza di una quinta forza rimane ancora un mistero da risolvere: i ricercatori non sono infatti riusciti a provarne l’esistenza. Ma hanno ristretto il campo per i prossimi tentativi e lo hanno fatto in un modo finora mai immaginato, indagando le tracce della sua presenza in possibili anomalie delle traiettorie degli asteroidi. Una strada che in futuro potrebbe portare a scoperte decisive.
Dottor Vagnozzi, Lei ha lavorato come coautore nello studio pubblicato su Communications Physics. In questo studio avete aperto una nuova strada…
«Sì, abbiamo dimostrato che la quinta forza, se esiste, ha effetti ancora più deboli di quanto siamo stati capaci di misurare. Abbiamo fissato un vincolo, al di sopra del quale, non ha senso cercarla. Se volessimo usare una metafora, è un po’ come setacciare la sabbia per cercare pepite d’oro, che sono in realtà più piccole di quanto ci aspettassimo. Quello che abbiamo capito in questo studio è che per rilevare la quinta forza serve un setaccio a maglia ancora più fine. Dobbiamo cercare ancora, potenziare i nostri strumenti e dirigere l’osservazione nella direzione giusta. Ma la strada che abbiamo testato è innovativa e potrebbe in futuro darci soddisfazioni».
Cosa potremmo imparare qualora scoprissimo questa quinta forza?
«Osservare la particella mediatrice - un bosone ultraleggero - potrebbe essere il tassello che oggi manca nella comprensione dell’universo. Una sorta di estensione di quello che viene definito il ‘Modello standard’, vale a dire, una sorta di vademecum che riassume quello che finora sappiamo dell’universo. E che ci permette di capire come la materia è fatta, come si comporta e quali sono le sue interazioni fondamentali. Gravità, elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte sono le quattro forze fondamentali dell’universo finora conosciute. Ci consentono di descrivere la materia a livello microscopico in modo quasi completo. ‘Quasi’ completo, perché in effetti il modello standard non riesce a spiegare tutto ciò che osserviamo. Per esempio, proprio l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura. E pensare che costituiscono circa il 96% dell’universo. La loro esistenza è suggerita dalle osservazioni cosmologiche e astrofisiche. Ma siccome non si sa ancora da quali particelle e forze siano composte, ancora non rientrano nel ‘modello standard’».
E qui entra in gioco l’osservazione delle traiettorie?
«Secondo diverse teorie molto accreditate, la materia oscura potrebbe essere costituita da nuove particelle ultraleggere, che di fatto appaiono ogni qual volta si prova a estendere il Modello standard. Queste medierebbero una quinta forza oltre alle quattro già citate, in modo particolare la gravità. Dunque il moto di un corpo celeste ora sarebbe influenzato, oltre che dalla gravità, anche da questa quinta forza, le cui proprietà dipenderebbero anche dalla massa della particella di materia oscura».
Quindi, se la massa di questa particella ultraleggera fosse nel giusto intervallo di valori…
«… I suoi effetti si farebbero sentire in maniera particolarmente forte nel moto degli asteroidi. Date le implicazioni per la difesa planetaria, gli asteroidi vicini alla Terra vengono seguiti particolarmente da vicino e Bennu è uno di questi. Il nostro team ha applicato i dati di tracciamento dell’asteroide raccolti prima e durante la missione Osiris-Rex. I dati astrometrici, ottici e radar, oltre ai dati della missione stessa, hanno contribuito a limitare - o a stabilire con un certo grado di precisione - la traiettoria di Bennu da quando è stato scoperto nel 1999.
Grazie a queste osservazioni, la traiettoria di Bennu è stata vincolata, in certi punti, con precisione all’ordine del metro. Una cosa di per sé incredibile se si pensa a quanto disti da noi l’asteroide. La presenza di una nuova particella ultraleggera, che potrebbe costituire la materia oscura, genererebbe una quinta forza che altererebbe la traiettoria dell’asteroide. I dati estremamente precisi di Osiris-Rex ci permettono di testare una tale possibilità, sfruttando appunto l’effetto della quinta forza sulla traiettoria di Bennu, che abbiamo modellato in dettaglio.
Nello specifico, non essendoci anomalie nella traiettoria di Bennu, abbiamo posto vincoli molto stringenti alla possibile esistenza di una quinta forza in una regione molto interessante di spazio dei parametri. In parte di questa regione, i nostri vincoli sono tra i più forti mai riportati nella letteratura. In altre parole, se una quinta forza esiste, deve essere estremamente debole, in modo tale da alterare la traiettoria di Bennu non solo sotto lo straordinario livello di precisione alla quale quest’ultima è misurata, ma anche sotto un livello di precisione che nessuno era mai riuscito a raggiungere prima. In altre parole, in parte di questa regione, il nostro è il setaccio più fine mai utilizzato».
Da dove è partito questo lavoro e quali sono le prossime tappe?
«Con il gruppo di ricerca abbiamo esplorato per la prima volta la fisica della quinta forza con gli asteroidi in una ricerca pubblicata sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics nel 2023. Poi abbiamo affrontato lo studio dell’asteroide Bennu. Ora prevediamo di proseguire e sviluppare l’analisi con il tracciamento dell'asteroide Apophis, che nel 2029 passerà a meno di 32mila chilometri dalla superficie della Terra. La sonda Osiris-Apex della Nasa (la stessa Osiris-Rex, ribattezzata per la nuova missione) si avvicinerà all'asteroide e osserverà cosa è successo durante il passaggio ravvicinato con la Terra. Anche l’Esa sta preparando una missione per il passaggio ravvicinato su Apophis: la missione Ramses arriverà prima di Apex e seguirà Apophis durante l'intero passaggio vicino alla Terra. I dati delle missioni, insieme alle osservazioni dell'impatto di una possibile quinta forza su Apophis durante il suo passaggio, ci forniranno dati per continuare la ricerca della quinta forza fisica».
Italiani nel mondo: ecco il team di ricerca
Nei giorni scorsi è stato pubblicato su Communications Physics, rivista scientifica del gruppo Nature, un articolo in cui sono analizzati i dati di tracciamento di un asteroide che orbita vicino alla Terra: Constraints on fifth forces and ultralight dark matter from OSIRIS-REx target asteroid Bennu.
Quattro dei cinque co-autori sono italiani, benché lavorino per lo più in istituzioni estere tra Cina, Stati Uniti, ma anche in Italia a Trento e Frascati. Sono Sunny Vagnozzi, ricercatore al Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento e al Trento Institute for Fundamental Physics and Applications; Luca Visinelli, professore alla Shanghai Jiao Tong University; Davide Farnocchia, ricercatore al Jet Propulsion Laboratory (Nasa); Marco Micheli, astronomo al Neo Coordination Centre del Planetary Defence Office della European Space Agency. Insieme a loro anche Yu-Dai Tsai del Los Alamos National Laboratory che ha firmato come primo autore.
Asteroid dust: in search of the 'fifth force'
Is there a fifth fundamental force in the Universe? Perhaps one day we will know, thanks to asteroid data
It all starts with a sample of dust and rocks from the asteroid Bennu, collected during NASA's Osiris-Rex mission between 2020 and 2023. Yes, dust, but of great value, as it contains information about the composition of the universe. And that's not all: the data on Bennu's trajectory, gathered during nearly two years of close operations, could open the possibility to explore an entirely new physics—that 'fifth force' that could serve as a bridge between the world we know and dark matter: we might uncover it in its hiding place. We talk about this with Sunny Vagnozzi, a researcher in the Department of Physics and one of the five co-authors of an international study.
The topic is among the most complex and mysterious in cosmology, yet also perhaps one of the most fascinating. To talk about dark matter, let’s start with what we know: the trajectory of a celestial object is influenced by gravity and other factors. Understanding the physics of trajectories and, particularly, studying their anomalies can help unveil some mysteries and advance our knowledge in astrophysics. For example, long before it was actually observed, the existence of the planet Neptune was inferred from the detection of irregularities in the orbit of the nearby planet Uranus.
The trajectory data of the asteroid Bennu has been analyzed by an international research team—made up of five researchers, four of whom are Italian—to search for traces of the existence of a possible fifth force: the particle that would act as a mediator, altering its trajectory. This new particle—a ultralight boson—could be the missing piece in our understanding of the universe.
The existence of a fifth force remains a mystery that researchers have not been able to solve. However, they have narrowed the field down for future attempts in a way that had never been imagined before, investigating the signs of its presence in possible anomalies in the trajectory of asteroids. A work that could lead to key discoveries in the future.
Dr. Vagnozzi, you worked as a co-author on the study published in Communications Physics. In this study, you opened a new research direction…
“Yes, we demonstrated that if a fifth force exists, its effects are even weaker than we have been able to measure. We established a constraint, above which it makes no sense to search for it. If we were to use a metaphor, it’s like sifting sand to find gold nuggets that are actually smaller than we expected. What we understood in this study is that detecting the fifth force requires an even finer sieve. We need to keep searching, enhance our tools, and move the observations in the right direction. But the path we tested is innovative and could yield good results in the future.”
What could we learn if we were to discover this fifth force?
“Observing the mediating particle—a ultralight boson—could be the missing piece in our understanding of the universe. It would serve as an extension of what is known as the 'Standard Model,' which summarizes what we currently know about the universe. It allows us to understand what matter is made of, how it behaves, and its fundamental interactions. Gravity, electromagnetism, the weak nuclear force, and the strong nuclear force are the four fundamental forces of the universe known so far. They allow us to almost completely describe matter at a microscopic level. ‘Almost’ completely, because the Standard Model fails to explain everything we observe. For example, the very existence of dark matter and dark energy, which are thought to constitute about 96% of the universe. Their existence is suggested by cosmological and astrophysical observations. However, since it is still unknown which particles and forces constitute dark matter, they are not yet included in the Standard Model.”
Is this where trajectory observation comes into play?
“According to several well-established theories, dark matter could be made up of new ultralight particles that appear whenever attempts are made to extend the Standard Model. These particles would mediate a fifth force in addition to the four we have already mentioned, particularly gravity. Thus, the motion of a celestial body would now be influenced not only by gravity but also by this fifth force, whose properties would also depend on the mass of the dark matter particle.”
So, if the mass of this ultralight particle falls within the right range...
“…its effects would be particularly strong on the motion of asteroids. Given the implications for planetary defense, near-Earth asteroids are closely tracked, and Bennu is one of them. Our team applied the tracking data from the asteroid collected before and during the Osiris-Rex mission. Astrometric, optical, and radar data, along with data from the mission itself, helped constrain—or establish with a degree of precision—the trajectory of Bennu since it was discovered in 1999.
Thanks to these observations, Bennu's trajectory has been constrained with precision to within a meter in certain points. This is incredible, considering how far the asteroid is from us. The presence of a new ultralight particle, which could constitute dark matter, would generate a fifth force that would alter the asteroid's trajectory. The extremely precise data from Osiris-Rex allows us to test this possibility by utilizing the effect of the fifth force on Bennu's trajectory, which we have modeled in detail. Specifically, since there are no anomalies in Bennu's trajectory, we have placed very stringent constraints on the possible existence of a fifth force in a very interesting parameter space. In part of this region, our constraints are among the strongest ever reported in the literature. In other words, if a fifth force exists, it must be extremely weak, such that it alters Bennu's trajectory not only below the extraordinary level of precision at which it is measured but also below a level of precision that no one has ever achieved before. In other words, in part of this region, ours is the finest sieve ever used.”
Where did this work start and what are the next steps?
“With the research group, we first explored the physics of the fifth force with asteroids in a study published in the Journal of Cosmology and Astroparticle Physics in 2023. Then we tackled the study of the asteroid Bennu. We now plan to continue and develop the analysis with the tracking of the Apophis asteroid, which will pass within 32,000 kilometers of the Earth's surface in 2029. NASA's Osiris-Apex spacecraft (the same Osiris-Rex, renamed for the new mission) will approach the asteroid and observe what happens during the close pass with Earth. ESA is also preparing a mission for the close pass of Apophis: the Ramses mission will arrive before Apex and will follow Apophis throughout its near-Earth passage. The data from the missions, along with observations of the impact of a possible fifth force on Apophis during its pass, will provide data to continue the search for the physical fifth force.”
Italians in the World: the Research Team
Recently, an article was published in Communications Physics, a scientific journal of the Nature group, analyzing tracking data from a near-Earth asteroid: 'Constraints on fifth forces and ultralight dark matter from OSIRIS-REx target asteroid Bennu'.
Four of the five co-authors are Italian, although they mostly work at foreign institutions in China, the United States, and also in Italy in Trento and Frascati. Sunny Vagnozzi, is a researcher of the Department of Physics at the University of Trento and the Trento Institute for Fundamental Physics and Applications; Luca Visinelli, is a professor at Shanghai Jiao Tong University; Davide Farnocchia, is a researcher at the Jet Propulsion Laboratory (NASA); and Marco Micheli is an astronomer at the Neo Coordination Centre of the Planetary Defence Office of the European Space Agency. Alongside them is Yu-Dai Tsai from Los Alamos National Laboratory, who signed as the first author.