Materia oscura. Teorie a confronto

E' ancora ampio il ventaglio di ipotesi in grado di spiegare la materia oscura. Il livello di conoscenze raggiunto dalla comunità scientifica permette però di attuare un'attenta selezione di nuove teorie

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In un recente video apparso su YouTube, Dorota Grabowska, una ricercatrice del CERN, ha affrontato il tema della materia oscura con Dianna Cowern, una popolare divulgatrice scientifica (conosciuta anche come Physics Girl). Tra i commenti, un utente ha scritto: La materia oscura è l’argomento messo in campo dalla scienza per dire non abbiamo la benchè minima idea”. Il commento, assieme a tanti altri, sembra sottolineare che sono tante le persone che credono che i fisici non abbiano le idee abbastanza chiare sull’argomento.

Alcuni commenti affermano che la materia oscura sia soltanto un errato conteggio della polvere spaziale, altri che non è compreso perfettamente il campo magnetico.

La nascita di una teoria della materia oscura

Spesso le ipotesi scientifiche si formano a partire da un’osservazione anomala – qualcosa che, durante un esperimento, si evidenzia inaspettatamente o che agisce in modo non atteso. Le tre osservazioni astrofisiche inusuali, comunemente citate, connesse allo studio della materia oscura sono: le anomale velocità di rotazione delle galassie; gli schemi della struttura a larga scala dell’universo; il Bullet Cluster (la collisione tra due ammassi galattici).

Anomalia delle velocità di rotazione delle galassie

Sulla base della materia visibile presente all’interno delle galassie, i fisici possono utilizzare le leggi della gravità per prevedere la velocità con cui le stelle ruotano attorno alle galassie. Secondo queste previsioni, la materia più vicina al centro di una galassia dovrebbe muoversi più velocemente, mentre la materia collocata più lontana dal centro dovrebbe risentire di meno dell’effetto della gravità e muoversi più lentamente.

Nei primi anni del XX secolo, invece, gli astronomi notarono che accadeva proprio l’opposto. La materia posta nelle zone esterne delle galassie si muoveva con una velocità superiore a quella attesa. La scoperta di queste dinamiche anomale ha rappresentato uno dei primi indizi che si stava perdendo di vista qualcosa. È possibile spiegare la presenza di regioni che si muovono a velocità più alte del previsto, solo se la massa di una galassia è prevalentemente formata da materia invisibile.


Struttura a larga scala dell’universo

L’universo primordiale ad alta temperatura era costituito in parte da nuclei e da elettroni carichi. I fotoni potevano trasportare queste particelle, impedendo che il loro numero aumentasse. Ma la materia oscura non ha partecipato a queste interazioni e, con l’ausilio della gravità, ha iniziato a dare vita alla propria struttura. Quando l’universo si è raffreddato abbastanza per permettere la formazione degli atomi, questi atomi (barioni) furono trascinati dentro le strutture della materia oscura, cadendo dentro le loro buche di potenziale gravitazionali. Ciò ha lasciato un segno nel cielo, le oscillazioni acustiche barioniche, che assomigliano alle increspature create da una pietra lanciata in uno specchio d’acqua.

Mettere a paragone le previsioni di una teoria della materia oscura, con i dati che scaturiscono dall’osservazione di queste oscillazioni, e con la forma globale della rete cosmica del nostro universo, rappresenta una prova essenziale e necessaria per rafforzare la teoria stessa.

Bullet Cluster – Collisioni tra galassie

Il Bullet Cluster è l’aggregazione di galassie generato dalla collisione tra due altri aggregati di galassie. L’interazione gravitazionale tra due gruppi di galassie, ha fatto sì che, a distanze ravvicinate, la materia delle due galassie rallentasse il proprio moto. La collisione dei gas degli aggregati di galassie ha quindi dato origine a segnali luminosi di raggi X.

Se da una parte si evidenzia la presenza di due gruppi di galassie, che emettono raggi X, nei pressi del punto di collisione, si registra anche una quantità importante di materia persino nelle estremità più distanti dal centro. È come se ci fosse una parte di materia delle galassie che non risente assolutamente di questa collisione e procede nel suo percorso. Sembra che la materia oscura passi attraverso la materia regolare come un fantasma.

Il Bullet Cluster è considerato una prova cruciale per l’esistenza della materia oscura. È famoso perché è stata la prima fusione di galassie studiata in maniera approfondita, anche se gli astronomi, da allora, hanno trovato molte altre fusioni di galassie che mostrano la stessa struttura oscura a lobi.

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Per essere accettabile, ogni teoria sulla materia oscura deve poter spiegare, in maniera abbastanza esauriente, tutti e tre i fenomeni sopra descritti. Quindi, il testimone passa dagli osservatori astrofisici, ai teorici e agli sperimentali.

Gli osservatori portano a conoscenza i teorici di un fenomeno inatteso; i teorici quindi cercano una possibile spiegazione del fenomeno; infine, gli sperimentali cercano di trovare un modo per testare quella spiegazione, attraverso dei metodi di rilevamento, come per esempio la ricerca di segnali gravitazionali o interazioni tra particelle. Nell’ambito di questo ampio processo di collaborazione multidisciplinare, nessuno singolarmente ha una visione completa del fenomeno; ma il contributo di ognuno è necessario per disegnare il quadro completo.

Gli scienziati potrebbero ancora non sapere quale sia la spiegazione scientifica di queste insolite osservazioni astronomiche, ma sicuramente hanno un’idea di ciò che esse non sono.

Le teorie che non hanno avuto successo

La Gabrowska sottolinea che, oggi, una qualunque teoria sulla materia oscura debba avere dignità di considerazione. L’intervallo di masse possibili per una particella di materia oscura abbraccia diversi ordini di grandezza, dagli assioni (la cui massa è una piccola frazione di quella di un protone) ai buchi neri stellari (con una massa migliaia di volte più grande di quella del sole).

È più facile dire cosa potrebbe essere la materia oscura, piuttosto che dire cosa non p essere. La certezza che si ha al momento è che sicuramente i fisici non hanno commesso alcun errore nel calcolo delle masse.

Le curve di rotazione delle galassie potrebbero essere spiegate se ci fosse semplicemente una quantità di massa regolare non misurata o non considerata dagli osservatori. Alcune teorie ipotizzavano la probabile presenza di una più ingente quantità di massa regolare; ma questa massa era costituita da oggetti come nane brune, stelle esaurite, e piccoli e vecchi buchi neri, troppo scuri per essere osservati correttamente. Alcuni scienziati hanno ipotizzato che questi oggetti compatti e di grandi dimensioni, che formano un effetto alone (detti pure MACHOs – MAssive COmpact Halo Objects) , potrebbero essere i costituenti della massa mancante.

Ma, non solo questi MACHOs non spiegano gli altri fenomeni che sono connessi all’esistenza della materia oscura; le diverse ricerche effettuate su di loro non ne hanno trovato in numero sufficiente perché possano rappresentare tutta la materia oscura.

Un altro insieme di teorie che, secondo molti scienziati, non è all’altezza della spiegazione della materia oscura, sono le MOND (MOdified Newtonian Dynamics). Queste teorie propongono una modifica delle leggi del moto di Newton, che dovrebbero applicarsi solo ad accelerazioni molto piccole, il che andrebbe a spiegare l’anomala velocità di rotazione delle galassie. Ma, come i MACHOs, queste teorie sono inadeguate per spiegare le oscillazioni acustiche barioniche, o la dinamica degli aggregati di galassie a larga scala. E inoltre non sono efficaci nella spiegazione del Bullet Cluster.

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Una delle teorie più valide per la spiegazione della materia oscura – in grado di spiegare le velocità anomale di rotazione delle galassie, il Bullet Cluster, le oscillazioni acustiche barioniche e la struttura a larga scala dell’universo – è legata alle particelle debolmente interagenti (WIMPS – Weakly Interacting Particles). Ma finora, approfondite e lunghe ricerche non hanno fornito alcuna evidenza dell’esistenza di interazioni di particelle in grado di spiegare la materia oscura.

Quindi, il ventaglio di ipotesi per la spiegazione della materia oscura è ampio, e non è detto che esista una sola risposta al fenomeno. Esso potrebbe essere anche la combinazione di diversi tipi di particelle o di oggetti, o addirittura potrebbe esiste un intero settore scuro delle particelle di materia oscura, come una versione speculare del Modello Standard dell’universo.

È pertanto difficile confutare a priori una teoria sulla materia oscura; è come interrompere la ricerca di una particella che potrebbe avere qualunque massa. Ma la quantità di prove acquisite consente comunque di controllare bene le varie ipotesi. Una teoria della materia oscura deve essere in grado di spiegare tante cose; e man mano che gli esperimenti diventano più precisi e i telescopi più chiari, sarà possibile ottimizzare la selezione di queste teorie.

Fonte: symmetrymagazine.org