L’enigma della materia oscura

Quello che vediamo nel cielo con i nostri occhi ma anche, finora, con i nostri più sofisticati strumenti di osservazione, potrebbe essere solo “la parte visibile dell’iceberg” della “densità energetica totale” dell’Universo osservabile, in altre parole, della totalità dei componenti dell’Universo osservabile, materia ed energia comprese. Secondo il “modello standard della cosmologia”, la materia comune chiamata “barionica” non costituirebbe in effetti che il 4,9% circa di questa “densità”, di cui il 100% comprenderebbe, oltre alla totalità di questa materia barionica, la totalità dei fotoni, la totalità dei neutrini, nonché la “materia oscura” e l'”energia oscura” (i neutrini potendo tuttavia far parte della materia oscura). Le ultime due componenti costituirebbero la maggior parte di questa stessa densità (26,8% per la prima e 68,3% per la seconda)… ma rimangono ipotetiche. La realtà ci costringe ad osservare i loro effetti gravitazionali senza poterli osservare direttamente ed è molto frustrante notare l’implausibilità intuitiva che la prima, la materia oscura, esprime mentre abbiamo fatto enormi progressi in astronomia negli ultimi decenni. La seconda, l’energia oscura, altrettanto misteriosa ma comunque meno “visibile” (si manifesta nel tempo e nelle velocità di recessione espresse sugli spettri delle emissioni elettromagnetiche) e che è una sorta di antigravità, è un altro enigma che sarà trattato solo incidentalmente in questo articolo…anche se, forse, è intrinsecamente legata alla materia oscura tanto quanto alla materia barionica.

L’osservazione

L’idea che “manca qualcosa” si è insinuata nel ragionamento dal 1933 grazie all’onestà e al coraggio dell’astronomo svizzero Fritz Zwicky (laureato ETHZ), insegnante al CalTech) che aveva osservato una discrepanza tra la “massa dinamica” (dispersione delle velocità che influenzano le masse e che risultano dalla gravitazione) e la “massa luminosa” (stima della massa risultante dalla quantità di luce emessa osservata) di un gruppo di galassie in un ammasso, la prima essendo molto più alta della seconda. Da allora, questo “gap” è stato osservato molte volte con attrezzature molto migliori (la precisione dei dati raccolti ai tempi di Fritz Zwicky era discutibile) e in altri contesti. Un modo per percepire questo è prestare attenzione alla velocità di rotazione delle stelle intorno ai nuclei delle galassie a spirale, esaminando i loro spettri di radiazione elettromagnetica. Secondo la terza legge di Keplero, più ci si allontana dal centro di gravità di una galassia, più la velocità delle stelle dovrebbe diminuire (cfr. ciò che accade nel nostro sistema solare per i pianeti). Tuttavia, come l’astronoma Vera Rubin ha osservato negli anni ’70 sulla base degli spettri della galassia di Andromeda, la velocità di rotazione delle stelle (annotate sulle “curve di rivoluzione”) alla periferia del centro è quasi la stessa di quelle delle stelle vicine al centro, come se la galassia fosse molto più estesa in massa e volume della sua semplice parte visibile, e la differenza non è marginale (dell’ordine del 95%!) Questa osservazione è stata confermata non appena il telescopio spaziale Subaru è stato in grado di osservare le galassie a lunghezze d’onda infrarosse, al di fuori dell’atmosfera terrestre (questa radiazione ci permette di osservare molte più fonti delle sole stelle visibili). Allo stesso modo la velocità di espansione dell’universo è compatibile con una certa massa del 30% della densità critica e senza materia oscura questa massa sarebbe ovviamente insufficiente (senza tener conto dell’accelerazione che si è espressa da 6 a 7 miliardi di anni e che, a sua volta, dovrebbe risultare dall'”energia oscura”).

Di cosa potrebbe essere fatta questa materia oscura?

Secondo le teorie, potrebbe essere calda (veloce) o fredda (lenta) a seconda della natura delle particelle che la costituiscono. Nel primo caso, il neutrino sarebbe un buon candidato e l’universo si sarebbe formato da grandi masse che poi si sarebbero frammentate. Nel secondo caso, particelle pesanti come le “WIMPs” (“Weakly Interactive Massive Particles”) avrebbero causato o contribuito a causare/amplificare le anisotropie del plasma primitivo (fino alla ricombinazione) e l’Universo si sarebbe sviluppato da piccole masse che si sarebbero agglomerate in seguito e continuerebbero a farlo ancora oggi (piuttosto la tendenza nella teoria attuale).

Per dirla in un altro modo, all’inizio si pensava “stupidamente” (prima di andare avanti) che la materia oscura potesse essere materia barionica inosservabile perché difficile da vedere con i nostri strumenti di osservazione. Le nubi di gas (idrogeno) che avvolgono molte galassie e si estendono tra di esse avrebbero potuto essere un buon candidato ma, intorno alle galassie, la loro velocità e temperatura sembrano essere piuttosto la prova dell’attrazione della massa di queste galassie rinforzata dalla materia oscura. I Massive Compact Halo Objects (MACHO), anche a causa della loro apparente piccolezza, come le stelle di neutroni, le nane bianche, le nane brune o i buchi neri, potrebbero anche essere candidati poiché sono difficili da rilevare e ovviamente contribuiscono molto alla materia, nel complesso. Tuttavia, l’ipotesi delle stelle di neutroni e delle nane bianche implica che queste stelle sarebbero state una volta “vive” e che il cielo antico (o lontano) sarebbe stato più luminoso del cielo contemporaneo (o vicino), il che non è il caso. Per quanto riguarda le nane brune (stelle o quasi-stelle abortite), non siamo stati finora in grado di osservare occultazioni sufficienti per dimostrare che raggiungono un’abbondanza sufficiente. Anche gli ipotetici buchi neri periferici sono una pista abbandonata perché non mostrano le perturbazioni del loro ambiente che dovrebbero causare.

Le WIMP sono tutti i tipi di particelle pesanti “non barioniche” che interagiscono molto debolmente con la materia. Sono, dopo aver eliminato altre possibilità, i migliori candidati per la materia oscura (quelli che “rimangono”). Sono considerati estrapolando il principio di “supersimmetria” del modello standard della fisica delle particelle, con ogni bosone associato a un fermione (questi fermioni hanno proprietà identiche, compresa la massa, ai bosoni ma con uno spin diverso da ½). Si noti che le WHIMP non sono elementi di antimateria che sarebbero anch’essi barioni (si sa che materia e antimateria interagiscono estremamente facilmente e vigorosamente). Anche i neutrini potrebbero far parte della spiegazione; a differenza delle WIMP la loro esistenza e ubiquità è ormai nota, ma non la loro abbondanza.

Identificare l’invisibile

Da decenni si cerca di scoprire di più e prima cercando di far interagire, anche molto marginalmente, la materia visibile con quella oscura (WIMP e/o neutrini). Queste interazioni sono state e sono tuttora ricercate ovunque, sia negli acceleratori di particelle (in particolare in quello più potente, l’LHC – Large Hadron Collider), sia in molteplici installazioni sotterranee (per eliminare il più possibile la radiazione “parassita”, cioè tutto ciò che interferisce facilmente con la materia): CDMS (Cryogenic Dark Mater Search), XENON dark matter research project, WARP (WIMP ARgon Program), EDELWEISS (Experiment to Detect WIMPs in Underground Facilities), CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers), EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array) o LUX (Large Underground Xenon experiment), sia sotto il ghiaccio (IceCube, in Antartide) o nello spazio (lo spettrometro AMS, progettato da UniGe e che è installato sulla Stazione Spaziale Internazionale). La molteplicità degli esperimenti mostra sia l’interesse che indubbiamente la frustrazione degli scienziati, che pensano di avere “in mano qualcosa” ma non riescono a dimostrarlo perché… i risultati sono sempre nulli o, se vogliamo rimanere ottimisti, spingono ancora più indietro la “sezione efficace” della materia oscura (quella che interagirebbe con la materia). Un nuovo satellite, “Euclid”, sarà lanciato nel 2022 dall’ESA per tentare il rilevamento. La progettazione del carico utile è realizzata da Airbus e Thalès sotto la direzione del “consorzio Euclid”, composto da un gran numero di laboratori europei (circa 100 in 16 paesi, il che dimostra l’interesse!) che assicurerà anche lo sfruttamento dei dati. È destinato a studiare gli effetti dell’energia oscura ma, in relazione alla materia oscura, il suo principio è quello di studiare gli effetti delle lenti gravitazionali deboli “affidandosi” alla gravità, apparentemente l’unica forza che ha un effetto su entrambi i tipi di materia. Il metodo consiste nel misurare la distorsione della forma delle galassie sotto l’effetto della lente gravitazionale della materia visibile e oscura presente tra la Terra e queste galassie. Il grado di distorsione dovrebbe permettere di dedurre come è distribuita la materia oscura, sottraendo l’effetto della materia osservabile e osservata.

Dati i “risultati” deludenti (finora!), la spiegazione del mistero verrà da teorie alternative? La teoria MOND (Modification Of the Newtonian Dynamic) di Mordehai Milgrom propone una versione modificata delle leggi di gravità (alta o bassa accelerazione a seconda che la massa sia grande o meno). L’universo di Dirac-Milne propone l’esistenza dell’antigravità legata all’antimateria (le particelle di antimateria, con massa negativa, avrebbero una forza di repulsione gravitazionale). Da parte sua, André Maeder (Università di Ginevra) propone l’ipotesi dell'”invarianza della scala del vuoto”, in altre parole che il vuoto e le sue proprietà non cambiano a seguito di espansione o contrazione. Egli nota che questa assunzione non è stata presa in considerazione nella teoria del Big Bang, eppure il vuoto gioca un ruolo chiave nelle equazioni di Einstein (è coinvolto nella definizione della costante cosmologica). Applicato alle osservazioni astronomiche, mostra che il suo modello predice l’accelerazione dell’espansione dell’Universo senza la necessità di alcuna particella o energia oscura. Se la raccolta di dati Euclide non è conclusiva o se una di queste teorie alternative prevale tra la comunità astrofisica nei ripetuti test fatti per dimostrarle, le WIMPs verrebbero abbandonate e apparirebbero come un miraggio; altrimenti, tutta una nuova fisica passerebbe dal campo teorico al campo osservabile. È così che la scienza progredisce.

NB: questo articolo, che è molto generale, non pretende di esaurire l’argomento della materia oscura ma solo di metterlo in evidenza per far capire la difficoltà della ricerca (per definizione non si sa mai cosa si troverà). Bisogna, sulla base delle conoscenze esistenti, avanzare delle ipotesi per risolvere le questioni poste dalla realtà delle cose e testare senza sosta e onestamente queste ipotesi con i mezzi necessariamente limitati e per lo più indiretti di cui si dispone.

Immagine del titolo:

Una possibile rappresentazione dell’energia oscura (che non abbiamo ancora visto*). Dato che non siamo ancora sicuri dell’esistenza della materia oscura, ho aggiunto un punto interrogativo. *NB: le nubi di idrogeno presenti sull’immagine, qui probabilmente il resto di una supernova, non sarebbero sufficienti a rappresentare la totalità della materia oscura. Credito fotografico (senza punto interrogativo!): NASA, ESA, M. J. Jee e H. Ford et al (Johns Hopkins Univ.)

Links:

https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-matiere-sombre-46/

https://fr.wikipedia.org/wiki/Euclid_(t%C3%A9lescope_spatial)

https://www.unige.ch/communication/communiques/2017/cdp211117/

https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_827.html

Foto sotto:

Le osservazioni delle curve di rivoluzione delle stelle intorno al centro della loro galassia mostrano che ruotano troppo velocemente se ci basiamo sulla legge di gravitazione di Newton o sulla massa dedotta dalla luminosità delle galassie. © Gianfranco Bertone.

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Index Il richiamo di Marte 19 11 05

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