Cos’è la materia oscura? Questo è forse il più grande mistero della fisica odierna.
Immagina l’universo come un gigantesco puzzle. Possiamo vedere i pezzi che compongono il puzzle: stelle, galassie e altri oggetti, ma ci sono degli spazi in cui i pezzi non si incastrano. È qui che entra in gioco la materia oscura. È come la colla invisibile che tiene insieme l’universo, colmando le lacune e fornendo la massa extra necessaria per spiegare i movimenti dei pezzi visibili.
La materia oscura rimane sfuggente perché non interagisce affatto con la forza elettromagnetica. Quindi, poiché non assorbe né riflette la luce, è completamente invisibile. Possiamo dedurre la sua esistenza solo dal modo in cui influenza la materia visibile che la circonda attraverso i suoi effetti gravitazionali. Come un’ombra che rivela la presenza di un oggetto, la materia oscura lascia il segno nell’universo.
Ma solo perché non possiamo vedere la materia oscura non significa che non sia importante. In effetti, si pensa che costituisca circa l’85% della massa totale dell’universo.
Le teorie sulla composizione della materia oscura
Una teoria popolare è che la materia oscura sia costituita da particelle chiamate particelle massicce a interazione debole (WIMP). Un’altra teoria è che la materia oscura potrebbe essere costituita da particelle ultraleggere chiamate assioni. Queste particelle sono ancora più difficili da rilevare rispetto alle WIMP, ma potrebbero anche spiegare gli effetti gravitazionali osservati nell’universo. Ora, un team internazionale di fisici ha in mente una particella di materia oscura candidata diversa: i fotoni oscuri.
Materia oscura, fotoni oscuri
La materia oscura è chiamata “oscura” perché non interagisce con la luce in alcun modo rilevabile. Ma proprio come i fotoni sono portatori di forza per la forza elettromagnetica, i cosiddetti fotoni oscuri potrebbero essere portatori di forza collegati alla materia oscura. Si pensa che queste ipotetiche particelle siano molto simili ai normali fotoni di cui è composta la luce, con un’importante distinzione: si suppone che abbiano massa.
Introdotti per la prima volta nel 1986 dal fisico Bob Holdom, i fotoni oscuri, noti anche come “fotoni pesanti” o “fotoni nascosti”, dovrebbero essere bosoni di gauge per la materia oscura. Gli scienziati ipotizzano che i fotoni oscuri e i fotoni regolari si mescolino, in modo tale che i fotoni oscuri possano convertirsi in fotoni a bassa frequenza. In tal caso, questi fotoni convertiti dovrebbero riscaldare la rete cosmica ma in modo molto più efficiente e diffuso attraverso le regioni non dense dello spazio intergalattico, al contrario di altri meccanismi di riscaldamento astrofisico, come la formazione stellare e i venti galattici.
Secondo il nuovo studio, condotto dai ricercatori della SISSA in Italia, dell’Università di Tel Aviv, dell’Università di Nottingham e della New York University, questo effetto è esattamente quello che hanno visto accadere nei dati del Cosmic Origin Spectrograph (COS) a bordo il telescopio spaziale Hubble.
“Di solito, i filamenti cosmici sono stati usati per sondare le proprietà su piccola scala della materia oscura, mentre in questo caso abbiamo utilizzato per la prima volta i dati del mezzo intergalattico a basso spostamento verso il rosso come un calorimetro, per verificare se tutti i processi di riscaldamento di cui siamo a conoscenza siano sufficienti per riprodurre i dati. Abbiamo scoperto che non è così: manca qualcosa, che modelliamo come un contributo prodotto dal fotone oscuro”, ha dichiarato Matteo Viel, professore di fisica astroparticellare alla SISSA di Trieste.
Una calda ragnatela cosmica
La rete cosmica è una vasta rete di ammassi e filamenti costituiti da materia oscura e gas che si estende attraverso l’universo. A volte è chiamata “ragnatela cosmica” a causa della sua struttura delicata e intricata.
Immagina l’universo come una gigantesca ciotola di spaghetti. I fili di spaghetti rappresentano la rete cosmica, con galassie e altri oggetti che si formano nelle intersezioni dove i fili si incontrano. La materia oscura, che non possiamo vedere direttamente, forma la struttura della rete cosmica e fornisce la colla gravitazionale che tiene tutto insieme.
La rete cosmica è incredibilmente grande, con filamenti che si estendono per milioni di anni luce. Fornisce la struttura per la distribuzione della materia nell’universo e aiuta a modellare il modo in cui le galassie si formano e si evolvono.
I dati del COS suggeriscono che questi filamenti cosmici intergalattici sono significativamente più caldi di quanto previsto dal Modello standard. Questo calore in eccesso può essere spiegato dai fotoni oscuri.
“Poiché i fotoni oscuri sarebbero in grado di convertirsi in fotoni a bassa frequenza e riscaldare le strutture cosmiche”, spiegano i ricercatori, “potrebbero benissimo spiegare le informazioni sperimentali”.
Questo ovviamente non prova che i fotoni oscuri costituiscano la materia oscura o anche se esistano, ma è un’ipotesi interessante attualmente supportata da dati che potrebbero ispirare gli scienziati a scavare più a fondo. Sebbene l’esistenza dei fotoni oscuri sia ancora incerta, la loro potenziale scoperta potrebbe rappresentare un importante passo avanti nella nostra comprensione dell’universo.
Fonte: Physical Review Letters
