La materia oscura potrebbe essere fatta di gravitoni?

La materia oscura non è stata rilevata direttamente, ma qualche forma di materia invisibile gravita chiaramente. La risposta potrebbe essere nei gravitoni?

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La materia oscura potrebbe essere fatta di gravitoni?
La materia oscura potrebbe essere fatta di gravitoni?

Una delle osservazioni più sconcertanti sull’Universo è che non c’è abbastanza materia – almeno, la materia che conosciamo – per spiegare come vediamo che le cose gravitano. Sulla scala del Sistema Solare, la Relatività Generale e le masse che osserviamo svolgono perfettamente il loro lavoro. Ma su scale più grandi, i movimenti interni delle singole galassie indicano la presenza di una massa maggiore di quella che osserviamo. Le galassie negli ammassi si muovono troppo velocemente, mentre i raggi X rivelano una quantità insufficiente di materia normale. Anche su scala cosmica, deve essere presente massa extra per spiegare la lente gravitazionale, la rete cosmica e le imperfezioni del bagliore residuo del Big Bang.

Anche se in genere invochiamo una particella di qualche tipo che chiamiamo materia oscura, un’idea intrigante è puramente gravitazionale: la materia oscura potrebbe essere composta solo da gravitoni? Dopotutto, le altre forze conosciute nell’Universo – la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole – sono tutte intrinsecamente di natura quantistica e quelle forze sono mediate da particelle che abbiamo rilevato. Anche se non siamo sicuri che la gravitazione sia davvero intrinsecamente quantistica, e non abbiamo mai rilevato direttamente l’ipotetico gravitone, forse avrebbe senso se la particella gravitazionale che trasporta la forzadi gravità fosse essa stessa responsabile di ciò che percepiamo come materia oscura.

Quindi la materia oscura potrebbe essere fatta di gravitoni? È possibile che i gravitoni costituiscano per almeno una parte, o tutta, di materia oscura? Scopriamolo.

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Questo frammento di una simulazione della formazione della struttura, con l’espansione dell’Universo su scala ridotta, rappresenta miliardi di anni di crescita gravitazionale in un Universo ricco di materia oscura. Si noti che i filamenti e gli ammassi, che si formano all’intersezione dei filamenti, derivano principalmente dalla materia oscura; la materia normale gioca solo un ruolo minore. ( Credito : Ralf Kaehler e Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn)

La prima cosa che dobbiamo considerare è, astrofisicamente, ciò che già sappiamo dell’Universo. Dopotutto, è solo osservando l’Universo stesso che otteniamo tutte le informazioni che attualmente conosciamo sulla materia oscura. La materia oscura deve essere:

  • grumosa, il che ci dice che deve avere una massa a riposo diversa da zero,
  • senza collisioni, nel senso che non può scontrarsi né con la materia normale né con i fotoni,
  • minimamente autointeragenti, vale a dire che ci sono restrizioni piuttosto rigide su quanto in modo significativo la materia oscura possa scontrarsi e interagire con altre particelle di materia oscura,
  • fredda, il che significa che, anche nei primi tempi dell’Universo, questo materiale doveva muoversi a velocità lente rispetto alla velocità della luce.

Inoltre, quando guardiamo il Modello Standard delle particelle elementari, scopriamo, in modo del tutto definitivo, che non ci sono particelle già conosciute che potrebbero costituire un buon candidato per la materia oscura, o che potrebbero rappresentare una frazione sostanziale dell’Universo.



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Si prevede che le particelle e le antiparticelle del Modello Standard esistano come conseguenza delle leggi della fisica. Anche se descriviamo quark, antiquark e gluoni come aventi colori o anticolori, questa è solo un’analogia. La scienza attuale è ancora più affascinante. Nessuna delle particelle o antiparticelle può essere la materia oscura di cui il nostro Universo ha bisogno. ( Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Qualsiasi particella dotata di carica elettrica viene eliminata, così come quelle instabili che decadrebbero. I neutrini sono troppo leggeri; sono nati caldi e rappresenterebbero un tipo di materia oscura molto diverso da quello che percepiamo, inoltre, in base alle nostre misurazioni cosmiche, possono costituire al massimo solo circa l’1% circa della materia oscura. Le particelle composite, come il neutrone, si raggrupperebbero e si accumulerebbero insieme, perdendo quantità di moto e momento angolare in modo troppo significativo; sono troppo “autointeragenti”. E anche le altre particelle neutre, come i gluoni, si accoppierebbero troppo fortemente con le altre cose normali là fuori; sono troppo “collisionali”.

Gravitoni: perché si, perchè no

Di qualunque cosa sia fatta la materia oscura, non si tratta di nessuna delle particelle che conosciamo. Senza questi vincoli – dal momento che l’ipotesi nulla è quasi definitivamente esclusa – siamo liberi di speculare su cosa potrebbe essere la materia oscura. E anche se non è certamente l’opzione più popolare tra i fisici teorici, dato che le particelle simili a WIMP e simili agli assioni sono più comunemente considerate, non c’è necessariamente una correlazione tra la popolarità tra i teorici e ciò che sta effettivamente facendo l’Universo. A quanto pare, ci sono molte ragioni per cui si potrebbe voler prendere in considerazione il gravitone.

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Quando si verifica un evento di microlente gravitazionale, la luce di fondo proveniente da una stella viene distorta e ingrandita mentre una massa intermedia viaggia attraverso o vicino alla linea di vista della stella. L’effetto della gravità intervenuta piega lo spazio tra la luce e i nostri occhi, creando un segnale specifico che rivela la massa e la velocità dell’oggetto in questione. ( Credito : Jan Skowron/Osservatorio Astronomico, Università di Varsavia)

Motivo n. 1: la gravità esiste ed è molto probabilmente di natura quantistica. A differenza di molti dei candidati alla materia oscura di cui si parla più comunemente, ci sono molte meno speculazioni associate al gravitone rispetto a quasi qualsiasi altra idea nella fisica oltre il modello standard. Infatti, se la gravità, come le altre forze conosciute, risultasse essere intrinsecamente di natura quantistica, allora sarebbe necessaria l’esistenza di un gravitone. Ciò è in contrasto con molte altre opzioni, tra cui:

  • una particella supersimmetrica più leggera, che richiederebbe la supersimmetria per esistere nonostante la montagna di prove che non esiste,
  • una particella Kaluza-Klein più leggera, che richiederebbe dimensioni extra per esistere, nonostante la completa mancanza di prove a riguardo,
  • un neutrino sterile, che richiederebbe della fisica aggiuntiva nel settore dei neutrini ed è fortemente vincolato dalle osservazioni cosmologiche,
  • o un assione, che richiederebbe l’esistenza di almeno un nuovo tipo di campo fondamentale,

tra molti altri candidati. L’unico presupposto di cui abbiamo bisogno, per avere gravitoni nell’Universo, è che la gravità sia intrinsecamente quantistica, anziché essere descritta dalla classica teoria della Relatività Generale di Einstein su tutte le scale.

Tutte le particelle prive di massa viaggiano alla velocità della luce, ma le diverse energie dei fotoni si traducono in diverse dimensioni di lunghezza d’onda. Con un minuscolo limite superiore sulle masse sia dei fotoni che dei gravitoni, le loro energie dovrebbero essere incredibilmente piccole affinché possano muoversi ad una velocità sufficientemente lenta da distinguerla dal limite cosmico di una particella veramente priva di massa . ( Credito : NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet)

Motivo n. 2: i gravitoni non sono necessariamente privi di massa. Nel nostro Universo, puoi aggregarti e formare una struttura legata, gravitazionalmente, solo se hai una massa a riposo diversa da zero. In teoria, un gravitone sarebbe una particella priva di massa, con spin 2, che media la forza gravitazionale. Osservativamente, dall’arrivo delle onde gravitazionali (che a loro volta, se la gravità è quantistica, dovrebbero essere costituite da gravitoni energetici), abbiamo vincoli molto forti su quanto massivo può essere un gravitone: se ha una massa a riposo, deve essere essere inferiore a circa ~10^-55 grammi.

Ma per quanto piccolo sia quel numero, è coerente solo con la soluzione senza massa; non impone che il gravitone sia privo di massa. In effetti, se ci sono accoppiamenti quantistici con certe altre particelle, potrebbe risultare che il gravitone stesso ha una massa a riposo e, se è così, possono aggregarsi e raggrupparsi insieme. In numeri sufficientemente grandi, potrebbero addirittura costituire parte o tutta la materia oscura dell’Universo. Ricorda: massiccia, senza collisioni, minimamente autointeragente e fredda sono i criteri astrofisici che abbiamo sulla materia oscura, quindi se i gravitoni sono massicci – e anche se non ci aspettiamo che lo siano, potrebbero esserlo.

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Se immaginiamo il caso estremo di un pianeta grande e massiccio in orbita stretta attorno a un oggetto collassato, come una nana bianca (o meglio, una stella di neutroni), potremmo teoricamente calcolare il tasso di interazione atteso tra il pianeta e i gravitoni provenienti dal pianeta e l’oggetto centrale. Si prevede che un gravitone interagirebbe ogni 10 anni per un pianeta della massa di Giove in orbita vicino a una stella di neutroni: probabilità non molto favorevoli. ( Credito : Mark Garlick, University College London/Università di Warwick/Università di Sheffield)

Motivo n. 3: i gravitoni sono già estremamente privi di collisioni. In fisica, ogni volta che ci sono due quanti che occupano lo stesso spazio nello stesso momento, c’è la possibilità che interagiscano. Se c’è interazione, i due oggetti possono scambiarsi quantità di moto e/o energia; potrebbero volare via di nuovo, restare uniti, annichilirsi o creare spontaneamente nuove coppie particella-antiparticella se è presente abbastanza energia. Indipendentemente dal tipo di interazione che si verifica, la probabilità cumulativa di tutto ciò che può accadere è descritta da un’importante proprietà fisica: una sezione trasversale di scattering.

Se la tua sezione trasversale è 0, sei considerato non interagente o completamente privo di collisioni. Se i gravitoni obbediscono alla fisica a cui ci aspettiamo che obbediscano, possiamo effettivamente calcolare la sezione trasversale: è diversa da zero, ma rilevare anche un solo gravitone è estremamente improbabile. Come ha dimostrato uno studio del 2006, un pianeta della massa di Giove in orbita stretta attorno a una stella di neutroni interagirebbe con circa un gravitone ogni decennio, un numero sufficientemente privo di collisioni da poter descrivere la materia oscura (la sua sezione trasversale con i fotoni è comparabilmente ridicola per quanto sia minuscola). Quindi, su questo fronte, i gravitoni non hanno problemi come candidati per la materia oscura.

Quando un’onda gravitazionale attraversa una posizione nello spazio, provoca un’espansione e una compressione in tempi alterni in direzioni alternate, provocando la modifica della lunghezza dei bracci del laser in orientamenti reciprocamente perpendicolari. Sfruttando questo cambiamento fisico abbiamo sviluppato rilevatori di onde gravitazionali di successo come LIGO e Virgo. Se due onde gravitazionali interagissero tra loro, le onde passerebbero per lo più l’una attraverso l’altra, con solo una piccola frazione dell’onda/e complessiva/e che mostrerebbe proprietà collisionali. ( Credito : ESA–C.Carreau)

Motivo n. 4: i gravitoni hanno autointerazioni straordinariamente basse. Una delle domande più frequenti è se sia possibile cavalcare le onde gravitazionali o se, se due onde gravitazionali si scontrassero, interagirebbero come onde d’acqua che “schizzano” insieme. La risposta alla prima è “no” e la seconda è “sì”, ma appena: le onde gravitazionali – e quindi i gravitoni – interagiscono in questo modo, ma l’interazione è così piccola che è completamente impercettibile.

Il modo in cui quantifichiamo le onde gravitazionali è attraverso la loro ampiezza di deformazione, o la quantità di un’onda gravitazionale di passaggio che causerà l’“increspatura” dello spazio stesso quando le cose lo attraversano. Quando due onde gravitazionali interagiscono, la porzione principale di ciascuna onda si sovrappone all’altra, mentre la porzione che non fa altro che attraversarsi è proporzionale all’ampiezza della deformazione di ciascuna onda moltiplicata insieme. Dato che le ampiezze di deformazione sono in genere cose come ~10^-20 o inferiori, il che di per sé richiede uno sforzo tremendo per essere rilevato, diventare più sensibili di oltre 20 ordini di grandezza è praticamente inimmaginabile con i limiti della tecnologia attuale. Qualunque altra cosa possa essere vera sui gravitoni, le loro autointerazioni possono essere ignorate.

Ma alcune delle proprietà dei gravitoni rappresentano una sfida per farli diventare un valido candidato per la materia oscura. In effetti, ci sono due principali difficoltà che i gravitoni devono affrontare e sono il motivo per cui raramente vengono considerati opzioni convincenti.

Quando viene ripristinata una simmetria (palla gialla in alto), tutto è simmetrico e non esiste uno stato preferito. Quando la simmetria viene rotta alle energie più basse (palla blu, in basso), la stessa libertà, essendo tutte le direzioni uguali, non è più presente. Nel caso della rottura della simmetria Peccei-Quinn, questa inclinazione finale del potenziale a forma di cappello strappa gli assioni dal vuoto quantistico praticamente senza energia cinetica; un processo simile dovrebbe verificarsi per dare origine ai gravitoni freddi. ( Credito : J. Lykken e M. Spiropulu, Physics Today, 2013)

Difficoltà n. 1: è molto difficile generare gravitoni “freddi”. Nel nostro Universo, tutte le particelle esistenti hanno una certa quantità di energia cinetica e quell’energia determina la velocità con cui si muovono attraverso l’Universo. Man mano che l’Universo si espande e queste particelle viaggiano attraverso lo spazio, accadrà una delle due cose:

  • la particella perderà energia man mano che la sua lunghezza d’onda si allunga con l’espansione dell’Universo, cosa che avviene per le particelle prive di massa,
  • oppure la particella perderà energia al diminuire della distanza che può percorrere in un dato intervallo di tempo, a causa delle distanze sempre crescenti tra due punti, se si tratta di una particella massiccia.

Ad un certo punto, indipendentemente da come siano nate, tutte le particelle massicce finiranno per muoversi lentamente rispetto alla velocità della luce: diventando non relativistiche e fredde.

L’unico modo per raggiungere questo obiettivo, per una particella con una massa così bassa (come sarebbe un gravitone dotato di massa), è farla “nascere fredda”, dove accade qualcosa che la crea con una quantità trascurabile di energia cinetica, nonostante abbia una massa che deve essere inferiore a ~10^-55 grammi. La transizione che li ha creati, quindi, deve essere limitata dal principio di indeterminazione di Heisenberg: se il loro tempo di creazione avviene in un intervallo inferiore a circa ~10 secondi, l’incertezza energetica associata sarà troppo grande per loro, e saranno relativistiche, dopotutto.

In qualche modo – forse con somiglianze con la generazione teorica dell’assione – i gravitoni devono essere creati con una quantità estremamente piccola di energia cinetica, e tale creazione deve avvenire in un periodo di tempo relativamente lungo nel cosmo (rispetto alla minuscola frazione- di un secondo per la maggior parte di questi eventi). Non è necessariamente un problema, ma è un ostacolo difficile da superare, che richiede una nuova fisica non facile da giustificare.

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Un’illustrazione dello spaziotempo fortemente curvo per una massa puntiforme, che corrisponde allo scenario fisico di trovarsi al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Se la gravità fosse mediata da una particella massiccia portatrice di forza, ci sarebbe un allontanamento dalle leggi di Newton e di Einstein che sono severe a grandi distanze. Il fatto che non lo osserviamo ci impone vincoli stringenti su tali deviazioni, che, però, non possono escludere gravitoni dotati di massa. ( Credito : JohnsonMartin/Pixabay)

Difficoltà n. 2: nonostante le nostre speranze teoriche, i gravitoni (e i fotoni e i gluoni) sono probabilmente tutti privi di massa. Fino a quando qualcosa non viene stabilito sperimentalmente o osservativamente, è particolarmente difficile escludere alternative all’idea principale di come dovrebbe comportarsi. Con i gravitoni – come con i fotoni e i gluoni, le uniche altre particelle veramente prive di massa che conosciamo – possiamo solo porre dei vincoli su quanto possono essere massicci. Abbiamo limiti superiori di rigidità variabile, ma non abbiamo modo di vincolarli fino allo “zero”.

Ciò che possiamo notare, tuttavia, è che se qualcuna di queste particelle teoricamente prive di massa avesse una massa a riposo diversa da zero, dovremmo fare i conti con una serie di fatti scomodi.

  • La gravità e l’elettromagnetismo, se (rispettivamente) il gravitone o il fotone sono effettivamente massicci, non saranno più forze a portata infinita.
  • Se la particella che trasporta la forza è massiccia, allora le onde gravitazionali e/o la luce non viaggerebbero a c, la velocità della luce nel vuoto, ma piuttosto a una velocità più lenta che semplicemente non siamo riusciti a misurare finora.
  • E si ottiene una teoria diversa dalla Relatività Generale nel limite in cui si porta la massa del gravitone a zero, una patologia che richiede una serie di ipotesi probabilmente più scomode per essere eliminata (in particolare, non consentono che l’Universo sia piatto , cosa che osserviamo; solo aperto, e che di per sé contiene delle instabilità che potrebbero essere dei rompicapo).

Sebbene l’idea della gravità massiccia abbia suscitato molto interesse negli ultimi dieci anni, anche grazie ai recenti progressi stimolati in gran parte dalla ricerca di Claudia de Rham, rimane un’idea altamente speculativa che potrebbe non essere realizzabile nel quadro di ciò che è già stato stabilito.

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In questa immagine, un enorme insieme di galassie al centro fa apparire molte forti caratteristiche di lente. Le galassie di sfondo hanno la loro luce piegata, allungata e altrimenti distorta in anelli e archi, dove viene anche ingrandita dalla lente. Questo sistema di lenti gravitazionali è complesso, ma informativo per saperne di più sulla relatività di Einstein in azione. Limita, ma non può eliminare, la possibilità che i gravitoni siano materia oscura . ( Credito : ESA, NASA, K. Sharon (Università di Tel Aviv) e E. Ofek (Caltech))

Ciò che è notevole è che non ci poniamo più domande del tipo: “perché la materia oscura non potrebbe essere costituita dai gravitoni?” Ci chiediamo invece: “se volessimo che la materia oscura fosse gravitone, quali proprietà dovrebbe avere?” La risposta, come tutti i candidati alla materia oscura, è che deve essere fredda, priva di collisioni, con autointerazioni altamente limitate e massiccia. Anche se i gravitoni soddisfano certamente il requisito di essere privi di collisioni e di interagire a malapena con se stessi, generalmente si presume che siano privi di massa, non massicci, e anche se fossero massicci, generare versioni fredde dei gravitoni è qualcosa che ancora non sappiamo come sia possibile.

Ma ciò non basta per escludere questi scenari. Tutto quello che possiamo fare è misurare l’Universo al livello in cui siamo in grado di misurarlo e trarre conclusioni responsabili: conclusioni che non superano la portata dei nostri limiti sperimentali e osservativi. Possiamo limitare la massa del gravitone e scoprire le conseguenze di ciò che accadrebbe se avesse una massa, ma fino a quando non scopriremo effettivamente la vera natura della materia oscura, dobbiamo tenere la mente aperta a tutte le possibilità che non sono state definitivamente verificate o escluse. Non possiamo ancora eliminare la possibilità che i gravitoni nati freddi siano essi stessi responsabili della materia oscura e costituiscano il 27% mancante della materia dell’Universo che stiamo cercando da tempo. Finché non sapremo qual è la vera natura della materia oscura, dobbiamo esplorare ogni possibilità.

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