Materia oscura: cosa sappiamo o, meglio, cosa non sappiamo

Negli anni ’30, un astronomo svizzero di nome Fritz Zwicky notò che le galassie di un ammasso molto distante stavano orbitando l’una intorno all’altra molto più rapidamente di quanto avrebbero dovuto in base alla quantità di massa visibile che avevano. Propose che una sostanza invisibile, da lui chiamata materia oscura, potesse agire gravitazionalmente su queste galassie.

Da allora, i ricercatori hanno confermato che questo misterioso materiale può essere trovato in tutto il cosmo e che è sei volte più abbondante della materia normale che compone le cose ordinarie come stelle e persone.

Eppure, nonostante il fatto che tutte le osservazioni dimostrino che la Materia Oscura è presente in tutto l’universo, gli scienziati continuano a non sapere che pesci prendere. La Materia Oscura sfugge ad ogni identificazione tentata finora.

In primo luogo, i ricercatori non sono sicuri di cosa sia esattamente la materia oscura. In origine, alcuni scienziati ipotizzarono che la massa mancante nell’universo fosse costituita da stelle troppo piccole e troppo poco luminose per essere viste e buchi neri, ma, osservazioni dettagliate non hanno rivelato abbastanza di questi oggetti per spiegare l’influenza della materia oscura, come ha chiarito in un precedente articolo per Live Science il fisico Don Lincoln del Fermilab.

Attualmente, il candidato principale che potrebbe ammantarsi con il nome di materia oscura è un’ipotetica particella chiamata Weally Interacting Massive Particle, o WIMP, che si comporterebbe in modo simile a un neutrone tranne che dovrebbe essere tra le 10 e le 100 volte più pesante di un protone. Eppure, questa congettura ha portato solo a più domande:

Se la materia oscura si identificasse con i WIMP, questi dovrebbero essere ovunque intorno a noi, invisibili e appena rilevabili.

Allora, perché non riusciamo ad individuarli?

Anche se non interagiscono molto con la materia ordinaria, c’è sempre una leggera possibilità che una particella di materia oscura possa colpire una particella normale come un protone o un elettrone mentre si muove attraverso lo spazio. per questa ragione, i ricercatori hanno ideato esperimento dopo l’esperimento per studiare un enorme numero di particelle ordinarie in grandi laboratori nelle profondità della Terra, dove sono schermate dalle radiazioni che potrebbero interferire, simulando collisioni di particelle di materia oscura.

Il problema? Dopo decenni di ricerche, nessuno di questi rivelatori ha fatto una scoperta credibile.

All’inizio di quest’anno, l’esperimento cinese PandaX ha riportato l’ultimo nondetection WIMP. A questo punto, sembra probabile che le particelle di materia oscura siano molto più piccole dei WIMP.

La materia ordinaria è costituita da particelle ordinarie come protoni ed elettroni, così come da un intero zoo di particelle più esotiche come neutrini, muoni e pioni. Quindi, alcuni ricercatori si sono chiesti se la materia oscura, che dovrebbe costituire l’85% della materia nell’universo, potrebbe essere altrettanto complicata. “Non c’è una buona ragione per supporre che tutta la materia oscura nell’universo sia costruita su un tipo di particella“, ha dichiarato il fisico Andrey Katz, dell’Università di Harvard, a Space.com. I protoni oscuri potrebbero combinarsi con elettroni oscuri per formare atomi oscuri, producendo configurazioni tanto diverse e interessanti quanto quelle che si trovano nel mondo visibile, ha detto Katz. Mentre tali proposte si sono rincorse nel tempo nei laboratori di fisica, trovare un modo per confermarle o negarle ha finora eluso le ricerche degli scienziati.

Esiste la possibilità che la materia oscura sperimenti forze analoghe a quelle percepite dalla materia normale.

Alcuni ricercatori hanno cercato “fotoni oscuri“, che sarebbero come i fotoni scambiati tra particelle normali che danno origine alla forza elettromagnetica, eccetto che sarebbero percepiti solo dalle particelle di materia oscura.

I fisici in Italia si stanno attrezzando per distruggere un raggio di elettroni e le loro antiparticelle, note come positroni, in un diamante, come riportato in precedenza da Science. Se i fotoni oscuri esistono, le coppie elettrone-positrone potrebbero annichilirsi e produrre una delle strane particelle portatrici di forza, aprendo un settore completamente nuovo per la fisica dell’universo.

Mentre i fisici si allontanano sempre più dall’idea dei WIMP, altre particelle candidate ad essere la materia oscura stanno iniziando a ottenere consensi. Una delle più gettonate è una particella ipotetica conosciuta come assione, che sarebbe estremamente leggera, sul tipo che dovrebbe essere meno massiccio di un protone nell’ordine di almeno 10 elevato alla 31a potenza.

Alcuni esperimenti stanno cercando di identificare gli assioni. Recenti simulazioni al computer hanno sollevato l’ipotesi che gli assioni possano formare oggetti come stelle, che potrebbero produrre radiazioni rilevabili che sarebbero del tutto simili a quei fenomeni misteriosi noti come Fast Radio Burst (raffiche radio veloci) o FRB, come riportato in precedenza da Science.

Gli astronomi hanno scoperto la materia oscura grazie alle sue interazioni gravitazionali con la materia ordinaria, suggerendo che questo è il suo modo principale di far conoscere la sua presenza nell’universo.

Ma quando si tratta di capire la vera natura della materia oscura, i ricercatori non hanno le idee chiare su cosa fare. Secondo alcune teorie, le particelle di materia oscura dovrebbero avere le loro antiparticelle, il che significa che due particelle di materia oscura si annichiliranno tra loro quando si incontreranno.

L’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) sulla Stazione Spaziale Internazionale sta cercando i segni rivelatori di questo annientamento dal 2011 e, in realtà, ha già rilevato centinaia di migliaia di eventi. Il problema è che gli scienziati non sanno come essere sicuri se questi eventi dipendono dalla materia oscura e, comunque, questi eventi non hanno ancora dato nessun aiuto sul come individuare cosa sia, esattamente, la materia oscura.

Poiché in quantità supera notevolmente la materia ordinaria, la materia oscura è spesso considerata la forza dominante che organizza grandi strutture come galassie e ammassi galattici. Quindi, è suonato strano quando, all’inizio dell’anno, gli astronomi annunciarono di avere trovato una galassia denominata NGC 1052-DF2 che sembrava non contenere quasi nessun quantitativo di materia oscura. “Apparentemente, la materia oscura non è un requisito per la formazione di una galassia“, disse all’epoca Pieter van Dokkum della Yale University.

Tuttavia, poco tempo dopo, un altro team ha pubblicato un’analisi che suggeriva che la squadra di van Dokkum avesse misurato male la distanza della galassia, il che comportava che la sua materia visibile era molto inferiore a quanto ritenuto inizialmente e che, quindi, la sua massa di materia oscura dovesse essere molto maggiore di quanto precedentemente suggerito.

Un mistero di lunga data nella fisica delle particelle sono i risultati sconcertanti di un esperimento europeo noto come DAMA/LIBRA. Questo rilevatore – situato in una miniera sotterranea al di sotto del Gran Sasso, in Italia – cercava un’oscillazione periodica nelle particelle di materia oscura. Un’oscillazione che dovrebbe intervenire mentre la Terra, muovendosi lungo la sua orbita attorno al Sole, attraversa il flusso galattico di materia oscura che circonda il nostro sistema solare, a volte chiamato vento di materia oscura. Dal 1997, DAMA/LIBRA afferma di aver individuato esattamente questo segnale, sebbene nessun altro esperimento abbia mai visto nulla di simile.

Un segnale dall’inizio del tempo ha portato alcuni fisici a suggerire che la materia oscura potrebbe avere una carica elettrica. Radiazioni nella lunghezza d’onda di 21 centimetri sono state emesse dalle stelle dell’universo primordiale, appena 180 milioni di anni dopo il Big Bang e sono state assorbite dall’idrogeno.

Quando questa radiazione fu rilevata nel febbraio di quest’anno, la sua firma suggeriva che l’idrogeno nell’universo primordiale era molto più freddo di quanto previsto dagli scienziati.

L’astrofisico Julian Muñoz, della Harvard University, ha ipotizzato che la materia oscura con una carica elettrica avrebbe potuto allontanare il calore dall’idrogeno onnipervadente. Ma la congettura deve ancora essere confermata.

I neutroni sono particelle di materia ordinaria con una durata limitata. Dopo circa 14,5 minuti, un neutrone solitario non ricollocato in un atomo decadrà in un protone, un elettrone e un neutrino. Ma due diverse configurazioni sperimentali registrano una durata di vita leggermente diversa per questo decadimento, con una discrepanza tra di loro circa 9 secondi, secondo gli esperimenti citati in uno studio del luglio scorso sulla rivista Physical Review Letters.

All’inizio di quest’anno, i fisici hanno suggerito che, se l’1% delle volte, alcuni neutroni decadessero in particelle di materia oscura, si potrebbe spiegare questa anomalia.

Christopher Morris, del Los Alamos National Laboratory, nel New Mexico, e il suo team hanno monitorato i neutroni alla ricerca di un segnale che poteva essere materia oscura ma non sono stati in grado di rilevare nulla. lo studio suggerisce, però, che altri scenari di decadimento potrebbero essere ancora possibili.

Date le difficoltà che gli scienziati hanno dovuto affrontare nel tentativo di individuare e spiegare la materia oscura, un ragionevole interlocutore potrebbe chiedersi se stiano sbagliando tutto.

Per molti anni, una minoranza di fisici ha sostenuto l’idea che forse le nostre teorie sulla gravità sono semplicemente errate e che, sulle grandi scale, la forza fondamentale funziona in modo diverso da quanto ci aspettiamo.

Spesso dette “dinamiche newtoniane modificate” o modelli MOND, queste ipotesi suggeriscono che non vi è materia oscura e le velocità ultraveloci con cui le stelle e le galassie sono viste ruotare l’una attorno all’altra sono una conseguenza della gravità che si comporta in modi che ancora non comprendiamo. “La materia oscura è ancora un modello non confermato“, ha scritto il fisico Don Lincoln in una spiegazione per Live Science.

Eppure i detrattori della materia oscura restano una minoranza e non riescono ad ottenere un numero più ampio di scienziati delle loro idee.

D’altra parte, tutte le prove, anche le più recenti, sembrano convergere verso l’esistenza della Materia Oscura.