La materia oscura è uno dei più grandi misteri di tutta la scienza moderna. Ovunque guardiamo a grandi scale cosmiche, dalle galassie di massa ridotta ai più grandi ammassi di galassie, dallo sfondo cosmico delle microonde alla rete cosmica che traccia la struttura dell’Universo, possiamo vedere le impronte e gli effetti della sua presenza. Per ogni valore di massa di un protone di materia normale, c’è una quantità di materia oscura cinque volte più grande, fuori massa e che rende superfluo il materiale convenzionale che costituisce tutto ciò che abbiamo rilevato direttamente.
Anche se dobbiamo ancora rilevarla direttamente, e anche se non siamo sicuri di quali siano esattamente le sue proprietà, la materia oscura costituisce una promessa per il futuro dell’umanità. Ubiquamente localizzata in tutta la galassia e ben oltre, la materia oscura potrebbe essere il combustibile perfetto per far avverare i nostri sogni di esplorazione interstellare.
Un grafico logaritmico delle distanze, che mostra la sonda spaziale Voyager, il nostro Sistema Solare e la nostra stella più vicina, per un confronto. Per sperare di viaggiare attraverso le grandi distanze interstellari, avremo bisogno di una tecnologia superiore rispetto a quelle che usiamo attualmente. – NASA / JPL-CALTECH
L’umanità si propone di esplorare le profondità dello spazio, ma, per arrivare a farlo, deve affrontare dei limiti che non può evitare: le leggi della fisica. Per accelerare un’astronave – o qualsiasi massa – è necessario impartirle un impulso per cambiare il suo slancio. Maggiore è l’impulso, più è possibile modificare la velocità di un oggetto. Ciò che determina la grandezza di un impulso è la quantità di forza applicata e per quanto tempo avviene l’applicazione.
In un razzo convenzionale, l’impulso è fornito dal propellente che subisce una reazione di combustione, la quale produce l’impulso sotto forma di spinta. Anche se questo è il metodo migliore che l’umanità ha escogitato finora per viaggiare nello spazio, è incredibilmente limitante. Tutti i nostri razzi passati e attuali sono basati su sostanze chimiche e ciò pone enormi vincoli su quanto siamo in grado di fare.
Questo test sui motori del 2015 mostra l’accensione del motore Raptor di SpaceX, che si basa su una reazione estremamente potente ed a basso consumo di carburante. Sfortunatamente, è ancora una reazione a base di sostanze chimiche e converte solo circa un milionesimo della massa del combustibile in energia. Dovremo fare di meglio se vorremo realizzare i nostri sogni di esplorazione interstellare su scale temporali adeguate alla vita umana. – SPACEX / ELON MUSK
La ragione di ciò è semplice: per produrre una spinta – cioè, per impartire un impulso alla navicella spaziale – bisogna convertire l’energia chimica immagazzinata nel carburante in energia cinetica che spinge la navicella spaziale. Per generare quell’energia, tuttavia, bisogna consumare parte del carburante immagazzinato a bordo della navicella.
La chiave per ottenere molta più spinta, e quindi molta accelerazione, è l’efficienza del carburante. Alcuni tipi di carburante sono più efficienti, dal punto di vista energetico, rispetto ad altri, il che significa che possiamo ottenere più energia (e spinta e accelerazione) da, ad esempio, 1 chilogrammo di alcuni tipi di carburante. Un modo semplice per pensarci è attraverso l’equazione più famosa di Einstein: E = mc2. Se disponessimo di un carburante perfetto e ideale, potremmo convertire il 100% della massa di questo carburante in energia.
Il lancio di Cassini, il 15 ottobre 1997. Questa foto spettacolare è stata presa da Hangar AF a Cape Canaveral Air Force Station. Per tutta la nostra storia sulla Terra, l’unico modo in cui abbiamo mai raggiunto lo spazio è l’uso di carburanti a base chimica. – NASA
Al massimo, tuttavia, le reazioni a base chimica che utilizziamo attualmente hanno un’efficienza dello 0,0001% circa. Il motivo è il seguente: le reazioni chimiche dipendono dalle transizioni di elettroni tra atomi e molecole. La maggior parte della massa di un atomo è sotto forma di protoni e neutroni, ognuno dei quali ha una massa che contiene circa 109 eV di energia. Le transizioni di elettroni, tuttavia, sono dell’ordine di pochi (tipicamente 1-10) eV di energia. Anche con tutti i trucchi basati sulle sostanze chimiche che possiamo eseguire, non ci sono reazioni note che ci permettano di migliorare su questo.
Certo, possiamo optare per un combustibile di tipo nucleare, ma questo è solo marginalmente migliore, raggiungendo efficienze di circa lo 0,1%. In effetti, è un enorme miglioramento, ma c’è ancora un problema fondamentale con l’accelerazione per raggiungere velocità che permettano di affrontare le distanze interstellari in tempi ragionevoli.
L’equazione del razzo di Tsiolkovsky è necessaria per descrivere quanto velocemente un veicolo spaziale può viaggiare attraverso l’Universo bruciando una parte del suo combustibile per creare spinta. Dover portare il proprio carburante a bordo è un fattore fortemente limitante per quanto riguarda la velocità con cui siamo in grado di viaggiare attraverso lo spazio intergalattico. – SKORKMAZ DI WIKIPEDIA IN INGLESE
Il problema chiave è il seguente: ogni volta che si brucia carburante, è necessario accelerare l’intera massa del veicolo spaziale, compreso il carburante ancora a bordo.
Già, compreso il carburante ancora a bordo.
In altre parole, se partissimo con un razzo in cui il 99% della massa iniziale è carburante, e il carburante fosse perfettamente efficiente al 100% (come se si trattasse di annientamento materia-antimateria pura), accelerando costantemente finché si dispone di carburante, si avrebbe una velocità finale di 740.000 km/ora, una velocità che ci permetterebbe di raggiungere la stella più vicina in un periodo nell’ordine di migliaia di anni.
Tutti i razzi mai immaginati richiedono carburante, ma si potesse inventare un motore di materia oscura, ci si potrebbe rifornire di combustibile mentre si naviga attraverso la galassia. Poiché la materia oscura non interagisce con la materia normale (principalmente) ma passa attraverso di essa, non sarebbe difficile raccoglierla in un volume specifico di spazio; sarà sempre disponibile mentre si attraversa la galassia. – NASA / MSFC
D’altra parte, c’è un altro approccio al viaggio interstellare che potrebbe – in linea di principio – trasformare i nostri sogni fantascientifici in realtà. Cosa accadrebbe se potessimo raccogliere il carburante mentre viaggiamo invece di stoccarlo in grandi riserve nei serbatoi?
In genere, idee come questa coinvolgono enormi campi magnetici che incanalano le particelle caricate in una sorta di “trappola” nella tua astronave, consentendo di mettere insieme nuclei ed elettroni dove è possibile estrarre energia ed eseguire ulteriori reazioni con loro.
Ma la materia oscura offre un enorme vantaggio rispetto alla materia normale a questo proposito. Perché? Perché non è necessario fare nulla di particolare per raccoglierla. Per quanto ne sappiamo, è letteralmente ovunque, distribuita in un alone enorme che circonda e abbraccia ogni grande galassia che conosciamo, inclusa la Via Lattea. Ovunque ci trovassimo nella galassia, ci sarebbe materia oscura tutto intorno a noi.
Il secondo enorme vantaggio deriva dal progressivo allontanamento dai razzi a base chimica e dall’idea di un carburante perfetto. Per i razzi a base chimica, l’efficienza energetica dello 0,0001% è la migliore che possiamo sperare. Per i missili a base nucleare, il potere di fissione potrebbe portarci fino allo 0,1% di efficienza, e la fusione nucleare potrebbe portarci un po’ oltre: forse fino allo 0,7%.
La configurazione ideale, come accennato prima, sarebbe quella di poter utilizzare l’annientamento materia-antimateria, che è al 100% efficiente dal punto di vista energetico. Il lato negativo dell’annichilimento materia-antimateria deriva però dal costo altissimo: ci vuole un’enorme quantità di lavoro, energia e sforzo per creare una quantità straordinariamente piccola di antimateria. Se prendessi tutti i laboratori di fisica delle particelle mai costruiti sulla Terra e unissimo tutta l’antimateria che l’umanità ha mai creato, dal Fermilab al CERN, ci troveremmo con meno di un microgrammo di antimateria.
Certo, E = mc2 potrebbe essere il modo più efficiente per estrarre energia dalla massa nell’intero universo, poiché rappresenta la perfetta efficienza. Ma anche se riuscissimo a contenere e conservare l’antimateria con successo e annientarla solo al momento giusto, avremmo comunque una scorta limitata di un carburante che ha richiesto un’incredibile quantità di energia per metterlo insieme. Anche se potessimo generare una quantità arbitraria di antimateria, saremmo ancora fondamentalmente limitati, come nel caso dei razzi a propulsione chimica, dalla quantità di antimateria disponibile.
Ecco perché la promessa di utilizzare la materia oscura come fonte di energia è così affascinante. Non solo la materia oscura può essere una fonte di combustibile illimitata (in termini di abbondanza) ma potrebbe anche avere quel perfetto 100% di efficienza potenziale di conversione materia-a-energia che desideriamo così fortemente .
Si pensa che la nostra galassia sia incorporata in un enorme e diffuso alone di materia oscura, che la permea. La materia oscura fluisce ovunque, anche nel sistema solare. Anche se dobbiamo ancora imparare come rilevare la materia oscura direttamente, la sua presenza abbondante in tutta la nostra galassia e oltre potrebbe fornire una ricetta per il carburante perfetto per le astronavi del futuro. – ROBERT CALDWELL E MARC KAMIONKOWSKI NATURE 458, 587-589 (2009)
Ci sono una moltitudine di esperimenti in corso che cercano di individuare le collisioni della materia oscura sia con la materia normale che con sé stessa. In generale, ci sono due tipi di particelle nell’universo: i fermioni (con spin semi-interi) e i bosoni (con spin interi). Se la materia oscura fosse una particella bosonica senza carica elettrica, cromatica o debole, ciò significherebbe che si comporta come una sua antiparticella.
Se riuscissimo a raccogliere due particelle di materia oscura e a farle interagire l’una con l’altra, c’è una probabilità finita che si annichiliscano. Quando si verifica un annichilimento, viene prodotta energia con un’efficienza del 100%: tramite l’equazione di Einstein E=mc2.
In altre parole, se arriveremo a comprendere correttamente la materia oscura, avremo la possibilità di disporre di una fonte di energia libera e illimitata ovunque ci troveremo.
L’esperimento XENON situato nel sottosuolo del laboratorio italiano LNGS. Il rilevatore è installato all’interno di una grande protezione per l’acqua; l’edificio adiacente ospita i vari sottosistemi ausiliari. Se riusciamo a capire e misurare le proprietà delle particelle della materia oscura, potremmo essere in grado di creare condizioni che la portino ad annichilirsi con sé stessa, portando al rilascio di energia. – COLLABORAZIONE XENON1T
Questo perché, come abbiamo detto, la materia oscura è ovunque. Non avremmo nemmeno bisogno di portarla con noi mentre esploriamo l’Universo. Per quanto ne sappiamo – e ammettiamolo, siamo lontani dal capirlo – la materia oscura potrebbe davvero essere il combustibile definitivo. È abbondante in tutta la nostra galassia e oltre; dovrebbe avere una sezione di annichilazione diversa da zero con sé stessa; e quando si annulla, dovrebbe produrre energia con efficienza al 100%.
Forse, quindi, molti di noi hanno pensato agli esperimenti che cercano di individuare direttamente la materia oscura in modo sbagliato.
Sì, vogliamo sapere che cosa costituisce l’universo e quali sono le proprietà fisiche delle sue varie componenti abbondanti. Ma c’è un sogno fantascientifico che potrebbe diventare realtà se la natura è gentile con noi: energia illimitata e libera che aspetta solo che noi la utilizziamo, non importa dove andiamo nella galassia.
Padroneggiare la materia oscura è lo sforzo che potrebbe rendere reale questo sogno
Fonte: Forbes
