Il mistero della distribuzione della materia oscura

La materia oscura costituisce l'85% della materia presente nell'universo e la sua natura è ancora sconosciuta. In questo studio gli scienziati hanno dimostrato che la materia oscura abbia raggiunto la massima entropia

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In natura esistono quattro forze fondamentali e quella gravitazionale ha svolto e svolge un ruolo centrale nell’evoluzione dell’universo. A partire da uno stato uniforme iniziale, a partire dal Big Bang, la forza di gravità che ha permesso alla materia di concentrarsi in galassie, ammassi e super ammassi di galassie è data da un componente quasi sconosciuto dell’universo, la “materia oscura”.
Nonostante il suo ruolo fondamentale, della materia oscura sappiamo ben poco, sappiamo che ha un effetto gravitazionale importante a grande scala nell’universo. La sua natura sfuggente, il fatto che non interagisca se non debolmente con la materia ordinaria e per nulla con i fotoni, rendono difficili le ricerche che ne potrebbero svelare la composizione. Le domande senza risposta su questa materia sfuggente è uno dei grandi misteri irrisolti della fisica moderna.

La materia oscura

La materia oscura costituisce l’85% della materia dell’Universo, ma i suoi effetti sono per ora rilevabili solo su scale astronomiche, in quanto interagisce debolmente con la materia ordinaria e i suoi effetti sono significativi se presente in grande quantità. La materia oscura forma strutture molto più grandi di pianeti e stelle. La materia oscura potrebbe avere varie componenti: una di tipo barionico (materia “ordinaria”, cioè fatta da atomi) e una “esotica”, di tipo non barionico.
Questa sfuggente sostanza potrebbe essere costituita da oggetti massicci ma non luminosi, pianeti, nane bianche (stelle che hanno finito di bruciare), nane brune (stelle che non hanno mai cominciato a bruciare), stelle di neutroni e buchi neri.
Questi oggetti sono denominati MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects) ed emettono per loro natura una quantità di luce troppo scarsa per poter essere individuati. Esiste però un diverso sistema di rivelazione di questi oggetti, basato su un effetto detto lente gravitazionale. Le osservazioni condotte fino ad oggi indicano che la materia oscura barionica presente nell’universo può contribuire solo per una piccolissima percentuale alla Materia Oscura.
La Materia Oscura non barionica sarebbe costituita da particelle ancora sconosciute. Potrebbero essere particelle supersimmetriche quali neutralini, o neutrini massicci o altre particelle mai osservate e soggette solo alla forza gravitazionale e all’interazione nucleare debole. Questa classe di particelle, note con il nome di WIMPs, sono molto massive (100 volte più pesanti di un protone o più), ma interagiscono pochissimo con la materia. Le WIMPs si addenserebbero in prossimità delle galassie grazie alla gravità. Queste particelle, previste da alcune teorie come ad esempio la supersimmetria, non sono mai state osservate.
In un recente articolo comparso su Astronomy & Astrophysics Letters, scienziati dell’Istituto di Astrofísica de Canarias (IAC) / Università di La Laguna (ULL) e dell’Università nazionale del nord-ovest della provincia di Buenos Aires (Junín, Argentina) hanno dimostrato che la materia oscura presente nelle galassie segue una distribuzione di “massima entropia”, che getta un po di luce sulla sua natura.
Affermare che la materia oscura segue questo tipo di distribuzione, cioè di massima entropia o massimo disordine o equilibrio termodinamico significa che si trova nel suo stato più probabile. Per raggiungere questo “massimo disordine” le particelle che costituiscono la materia oscura hanno dovute collidere tra loro come le molecole o gli atomi di un qualsiasi gas in modo tale che densità , pressione e temperatura siano correlate. Tuttavia, non sappiamo come la materia oscura abbia raggiunto questo tipo di equilibrio.
“A differenza delle molecole nell’aria, ad esempio, poiché l’azione gravitazionale è debole, le particelle di materia oscura difficilmente dovrebbero entrare in collisione tra loro, quindi il meccanismo con cui raggiungono l’equilibrio è un mistero”, afferma Jorge Sánchez Almeida, ricercatore IAC chi è il primo autore dell’articolo. “Tuttavia, se si scontrassero tra loro, ciò darebbe loro una natura molto speciale, che risolverebbe in parte il mistero della loro origine”, aggiunge.
La massima entropia della materia oscura è stata rilevata nelle galassie nane, in quanto presentano un rapporto più elevato tra materia oscura e materia totale rispetto alle galassie più massicce, quindi è più facile vederne l’effetto. Tuttavia, i ricercatori si aspettano che sia un comportamento generale in tutti i tipi di galassie. Lo studio implica che la distribuzione della materia in equilibrio termodinamico ha una densità centrale molto più bassa che gli astronomi hanno assunto per molte applicazioni pratiche, come nella corretta interpretazione delle lenti gravitazionali, o quando si progettano esperimenti per rilevare la materia oscura mediante il suo auto-annichilimento.
Questa densità centrale è fondamentale per la corretta interpretazione della curvatura della luce da parte delle lenti gravitazionali: se è meno densa l’effetto della lente è minore. Per utilizzare una lente gravitazionale per misurare la massa di una galassia è necessario un modello, se questo modello viene modificato, la misurazione cambia.
La densità centrale è inoltre molto importante per gli esperimenti che cercano di rilevare la materia oscura usando il suo auto-annichilimento. Due particelle di materia oscura potrebbero interagire e scomparire in un processo altamente improbabile, ma che sarebbe caratteristico della loro natura. Perché due particelle possano interagire, devono scontrarsi. La probabilità di questa collisione dipende dalla densità della materia oscura; maggiore è la concentrazione di materia oscura, maggiore è la probabilità che le particelle si avvicinino abbastanza da interagire tra loro.
“Per questo motivo, se la densità cambia, anche il tasso di produzione atteso degli auto-annientamenti cambia, e dato che gli esperimenti sono progettati sulla previsione di un dato tasso, se questo tasso fosse molto basso, è improbabile che l’esperimento produca un risultato positivo “, afferma Sánchez Almeida.
Infine, l’ equilibrio termodinamico per la materia oscura potrebbe spiegare il profilo di luminosità delle galassie. Questa luminosità diminuisce con la distanza dal centro di una galassia in un modo specifico, la cui origine fisica è sconosciuta, ma per la quale i ricercatori stanno lavorando per dimostrare che è il risultato di un equilibrio con la massima entropia.
La densità della materia oscura nei centri delle galassie è stata un mistero per decenni. C’è una forte discrepanza tra le previsioni delle simulazioni (un’alta densità) e quella osservata (un valore basso). Gli astronomi hanno proposto molti tipi di meccanismi per risolvere questo importante disaccordo.
“Il fatto che l’ equilibrio sia stato raggiunto in così poco tempo, rispetto all’età dell’Universo, potrebbe essere il risultato di un tipo di interazione tra materia oscura e materia normale oltre alla gravità”, suggerisce Ignacio Trujillo, ricercatore IAC e coautore di questo articolo. “L’esatta natura di questo meccanismo deve essere esplorata, ma le conseguenze potrebbero essere affascinanti per capire cosa sia questo componente che domina la quantità totale di materia nell’Universo”.
In questo articolo, i ricercatori hanno dimostrato, utilizzando principi fisici di base, che le osservazioni possono essere riprodotte assumendo che la materia oscura sia in equilibrio, cioè che abbia la massima entropia. Le conseguenze di questo risultato potrebbero essere molto importanti perché indicano che la materia oscura ha scambiato energia con se stessa e / o con la rimanente materia “normale” (barionica).
Fonte: https://phys.org/news/2020-10-mystery-dark-galaxies.html?fbclid=IwAR0nR-oFBCv85mdUnQ4gRIKmgH4rOx5nwiQZVw-L9O15auGw5wg8hj4iK3M

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