Qual è la materia oscura?

Oltre l'80% di tutta la materia nell'universo è composta da scienziati materiali che non hanno mai visto. Si chiama materia oscura e diamo per scontato che esista perché senza di essa il comportamento di stelle, pianeti e galassie semplicemente non avrebbe senso. Ecco cosa sappiamo al riguardo, o meglio, cosa pensiamo di sapere.

Cos'è la materia oscura e perché è invisibile?

La materia oscura è completamente invisibile. Non emette luce o energia e quindi non può essere rilevato da sensori e rilevatori convenzionali. La chiave della sua natura sfuggente deve risiedere nella sua composizione, pensano gli scienziati.

La materia visibile, chiamata anche materia barionica, è costituita da barioni, un nome generale per le particelle subatomiche come protoni, neutroni ed elettroni. Gli scienziati ipotizzano solo di cosa sia fatta la materia oscura. Potrebbe essere composto da barioni ma potrebbe anche essere non barionico, cioè costituito da diversi tipi di particelle.

La maggior parte degli scienziati pensa che la materia oscura sia composta da materia non barionica. Si ritiene che il candidato principale, WIMPS (particelle massicce che interagiscono debolmente), abbia da dieci a cento volte la massa di un protone, ma le loro deboli interazioni con la materia "normale" le rendono difficili da rilevare. I neutrolini, ipotetiche particelle massicce più pesanti e più lente dei neutrini, sono i candidati principali, anche se devono ancora essere individuati.

I neutrini sterili sono un altro candidato. I neutrini sono particelle che non costituiscono la materia regolare. Un fiume di neutrini sgorga dal sole , ma poiché interagiscono raramente con la materia normale, passano attraverso la Terra e i suoi abitanti.

Esistono tre tipi noti di neutrini; un quarto, il neutrino sterile, viene proposto come candidato alla materia oscura. Il neutrino sterile interagirebbe con la materia regolare solo per gravità .

"Una delle domande in sospeso è se esiste un modello per le frazioni che entrano in ciascuna specie di neutrini", ha detto Tyce DeYoung, professore associato di fisica e astronomia alla Michigan State University e collaboratore dell'Osservatorio di neutrini IceCube in Antartide. Web.com.

L'assione neutra più piccola e le fotine non cariche, entrambe particelle teoriche, sono anche potenziali segnaposto per la materia oscura.

Esiste anche una cosa come l' antimateria , che non è la stessa cosa della materia oscura. L'antimateria è costituita da particelle che sono essenzialmente le stesse delle particelle di materia visibile ma con cariche elettriche opposte. Queste particelle sono chiamate antiprotoni e positroni (o antielettroni). Quando le antiparticelle incontrano le particelle, ne segue un'esplosione che porta i due tipi di materia a annullarsi a vicenda. Poiché viviamo in un universo fatto di materia, è ovvio che non c'è molta antimateria in giro, altrimenti non rimarrebbe più nulla. A differenza della materia oscura, i fisici possono effettivamente produrre antimateria nei loro laboratori.

Perché pensiamo che la materia oscura esista?

Ma se non riusciamo a vedere la materia oscura, come facciamo a sapere che esiste? La risposta è la gravità, la forza esercitata da oggetti di materia che è proporzionale alla loro massa. Dagli anni '20, gli astronomi hanno ipotizzato che l'universo debba contenere più materia di quella che possiamo vedere perché le forze gravitazionali che sembrano essere in gioco nell'universo sembrano semplicemente più forti di quanto la sola materia visibile spiegherebbe.

"I movimenti delle stelle ti dicono quanta materia c'è", ha detto Pieter van Dokkum, un ricercatore dell'Università di Yale, in una dichiarazione (si apre in una nuova scheda). "Non importa quale sia la forma della questione, ti dicono solo che è lì."

Gli astronomi che hanno esaminato le galassie a spirale negli anni '70 si aspettavano di vedere il materiale al centro muoversi più velocemente che ai bordi esterni. Invece, hanno scoperto che le stelle in entrambe le località viaggiavano alla stessa velocità, indicando che le galassie contenevano più massa di quella che si poteva vedere.

Gli studi sul gas all'interno delle galassie ellittiche hanno anche indicato la necessità di una massa maggiore di quella che si trova negli oggetti visibili. Ammassi di galassie si disperderebbero se l'unica massa che contenevano fosse quella visibile alle misurazioni astronomiche convenzionali.

Diverse galassie sembrano contenere quantità diverse di materia oscura. Nel 2016, un team guidato da Van Dokkum ha scoperto una galassia chiamata Dragonfly 44 , che sembra essere composta quasi interamente da materia oscura. D'altra parte, dal 2018 gli astronomi hanno scoperto diverse galassie che sembrano prive del tutto di materia oscura .

La forza di gravità non influenza solo le orbite delle stelle nelle galassie, ma anche la traiettoria della luce. Il famoso fisico Albert Einstein ha mostrato all'inizio del XX secolo che gli oggetti massicci nell'universo piegano e distorcono la luce a causa della forza della loro gravità. Il fenomeno è chiamato lente gravitazionale . Studiando come la luce viene distorta dagli ammassi di galassie, gli astronomi sono stati in grado di creare una mappa della materia oscura nell'universo.

La stragrande maggioranza della comunità astronomica oggi accetta l'esistenza della materia oscura.

"Diverse misurazioni astronomiche hanno corroborato l'esistenza della materia oscura, portando a uno sforzo mondiale per osservare direttamente le interazioni delle particelle di materia oscura con la materia ordinaria in rivelatori estremamente sensibili, il che confermerebbe la sua esistenza e chiarirebbe le sue proprietà", il Gran Sasso Lo afferma il Laboratorio Nazionale in Italia (LNGS) in un comunicato (si apre in una nuova scheda) . "Tuttavia, queste interazioni sono così deboli che sono sfuggite al rilevamento diretto fino a questo punto, costringendo gli scienziati a costruire rivelatori sempre più sensibili".

Nonostante tutte le prove che indicano l'esistenza della materia oscura, c'è anche la possibilità che una cosa del genere non esista e che le leggi di gravità che descrivono il movimento degli oggetti all'interno del sistema solare richiedano una revisione.

La materia oscura sembra essere diffusa nel cosmo in uno schema simile a una rete, con ammassi di galassie che si formano nei nodi in cui le fibre si intersecano. Verificando che la gravità agisce allo stesso modo sia all'interno che all'esterno del nostro sistema solare, i ricercatori forniscono ulteriori prove dell'esistenza della materia oscura e dell'energia oscura. (Credito immagine: WGBH)

Da dove viene la materia oscura?

La materia oscura sembra essere sparsa nel cosmo in uno schema a rete, con ammassi di galassie che si formano nei nodi in cui le fibre si intersecano. Verificando che la gravità agisce allo stesso modo sia all'interno che all'esterno del nostro sistema solare, i ricercatori forniscono ulteriori prove dell'esistenza della materia oscura. (Le cose sono ancora più complicate in quanto oltre alla materia oscura sembra esserci anche l' energia oscura , una forza invisibile responsabile dell'espansione dell'universo che agisce contro la gravità.)

Ma da dove viene la materia oscura? La risposta ovvia è che non lo sappiamo. Ma ci sono alcune teorie. Uno studio pubblicato a dicembre 2021 su The Astrophysical Journal sostiene che la materia oscura potrebbe essere concentrata nei buchi neri , le potenti porte verso il nulla che a causa dell'estrema forza della loro gravità divorano tutto ciò che si trova nelle loro vicinanze. In quanto tale, la materia oscura sarebbe stata creata nel Big Bang insieme a tutti gli altri elementi costitutivi dell'universo come lo vediamo oggi.

Si pensa che anche i resti stellari come le nane bianche e le stelle di neutroni contengano elevate quantità di materia oscura, così come le cosiddette b r own nane , stelle fallite che non hanno accumulato abbastanza materiale per avviare la fusione nucleare nei loro nuclei .

Materia oscura al centro di una galassia (Image credit: Mattia Di Mauro (ESO/Fermi-Lat))

In che modo gli scienziati studiano la materia oscura?

Dal momento che non possiamo vedere la materia oscura, possiamo davvero studiarla? Ci sono due approcci per saperne di più su questa roba misteriosa. Gli astronomi studiano la distribuzione della materia oscura nell'universo osservando il raggruppamento di materiale e il movimento degli oggetti nell'universo. I fisici delle particelle, d'altra parte, sono alla ricerca delle particelle fondamentali che compongono la materia oscura.

Un esperimento montato sull'International This Web Station chiamato Alpha Magnetic Spectrometer (opens in new tab) (AMS) rileva l'antimateria nei raggi cosmici. Dal 2011 è stato colpito da oltre 100 miliardi di raggi cosmici, fornendo affascinanti spunti sulla composizione delle particelle che attraversano l'universo.

"Abbiamo misurato un eccesso di positroni [la controparte di antimateria di un elettrone] e questo eccesso può provenire dalla materia oscura", ha detto a This Web.com Samuel Ting, scienziato capo dell'AMS e premio Nobel del Massachusetts Institute of Technology. "Ma in questo momento, abbiamo ancora bisogno di più dati per assicurarci che provengano dalla materia oscura e non da alcune strane fonti di astrofisica. Ciò richiederà ancora qualche anno".

Sulla Terra, sotto una montagna in Italia, XENON1T (si apre in una nuova scheda) di LNGS è alla ricerca di segni di interazioni dopo che i WIMP si sono scontrati con atomi di xeno.

"Con XENON1T è appena iniziata una nuova fase nella corsa per rilevare la materia oscura con rivelatori massicci di fondo ultra-basso sulla Terra", ha affermato in una dichiarazione la portavoce del progetto Elena Aprile, professoressa alla Columbia University (si apre in una nuova scheda). "Siamo orgogliosi di essere in prima linea nella corsa con questo straordinario rilevatore, il primo del suo genere".

Anche l'esperimento Large Underground Xenon sulla materia oscura (si apre in una nuova scheda) (LUX), ambientato in una miniera d'oro nel South Dakota, è alla ricerca di segni di interazioni WIMP e xeno. Ma finora, lo strumento non ha rivelato la misteriosa questione.

"Sebbene un segnale positivo sarebbe stato gradito, la natura non è stata così gentile!" Cham Ghag, fisico dell'University College London e collaboratore di LUX, ha affermato in una nota. "Tuttavia, un risultato nullo è significativo in quanto cambia il panorama del campo vincolando i modelli per ciò che la materia oscura potrebbe essere al di là di tutto ciò che esisteva in precedenza".

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L'IceCube Neutrino Observatory, un esperimento sepolto sotto la superficie ghiacciata dell'Antartide, è alla ricerca degli ipotetici neutrini sterili. I neutrini sterili interagiscono con la materia regolare solo attraverso la gravità, rendendolo un forte candidato per la materia oscura.

Esperimenti volti a rilevare particelle elusive di materia oscura sono condotti anche nei potenti collisori di particelle presso l' Organizzazione europea per la ricerca nucleare (si apre in una nuova scheda) (CERN) in Svizzera.

Diversi telescopi in orbita attorno alla Terra stanno cercando gli effetti della materia oscura. Planck This Webcraft della European This Web Agency, in pensione nel 2013, ha trascorso quattro anni nel Lagrangian Point 2 (un punto nell'orbita attorno al sole, dove un This Webcraft mantiene una posizione stabile rispetto alla Terra), mappando la distribuzione del sfondo cosmico a microonde, una reliquia del Big Bang, nell'universo. Le irregolarità nella distribuzione di questo fondo a microonde hanno rivelato indizi sulla distribuzione della materia oscura (si apre in una nuova scheda).

Nel 2014, Fermi Gamma-ray This Web Telescope della NASA ha realizzato mappe del cuore della nostra galassia, la Via Lattea , alla luce dei raggi gamma, rivelando un eccesso di emissioni di raggi gamma che si estendono dal suo nucleo.

"Il segnale che abbiamo trovato non può essere spiegato dalle alternative attualmente proposte ed è in stretto accordo con le previsioni di modelli di materia oscura molto semplici", ha detto a This Web.com l'autore principale Dan Hooper, un astrofisico del Fermilab in Illinois.

L'eccesso può essere spiegato dall'annichilazione delle particelle di materia oscura con una massa compresa tra 31 e 40 miliardi di elettronvolt, hanno detto i ricercatori. Il risultato di per sé non è sufficiente per essere considerato una pistola fumante per la materia oscura. Per convalidare l'interpretazione sarebbero necessari dati aggiuntivi da altri progetti di osservazione o esperimenti di rilevamento diretto.

Anche il James Webb This Web Telescope , lanciato dopo 30 anni di sviluppo il 25 dicembre 2021, dovrebbe contribuire alla caccia alla sostanza sfuggente. Con i suoi occhi a infrarossi in grado di vedere fino all'inizio dei tempi, il telescopio del secolo non sarà in grado di vedere direttamente la materia oscura, ma attraverso l'osservazione dell'evoluzione delle galassie sin dalle prime fasi dell'universo, ci si aspetta che fornisca approfondimenti che non erano possibili prima.

Risorse addizionali

Puoi leggere di più sulla materia oscura sul sito web del Fermi National Accelerator Laboratory (Femilab) degli Stati Uniti, che esegue esperimenti ad alta energia in collisori di particelle all'avanguardia con l'obiettivo di scoprire particelle che colmerebbero le lacune nella nostra comprensione dell'universo. Anche l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN ), il più grande laboratorio di fisica delle particelle al mondo, è alla ricerca di particelle di materia oscura scomparse. La NASA discute la differenza tra materia oscura ed energia oscura in questo articolo .

Bibliografia

NASA, Energia Oscura, Materia Oscura

https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy

Clegg, B. Dark Matter and Dark Energy: The Hidden 95% of the Universe, Icon Books, agosto 2019

CERN, Materia Oscura

https://home.cern/science/physics/dark-matter

Questo articolo è stato aggiornato il 28 gennaio 2022 da Tereza Pultarova, scrittrice senior di This Web.com.

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