Cosa sappiamo della materia oscura

In breve, la materia oscura è ancora piuttosto misteriosa. Il termine è, in realtà, solo il nome che gli scienziati hanno dato a un ingrediente che sembra mancare dalla nostra comprensione dell'universo. Ma alcune cose le sappiamo...

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Cosa sappiamo della materia oscura

Ci sono molte cose che gli scienziati non sanno della materia oscura: possiamo rilevarla in qualche modo? Possiamo farlo in un laboratorio? Di che tipo di particelle è fatta? È composta da più di un tipo di particella? Siamo sicuri che sia composta da particelle?

In breve, la materia oscura è ancora piuttosto misteriosa. Il termine è in realtà solo il nome che gli scienziati hanno dato a un ingrediente che sembra mancare dalla nostra comprensione dell’universo.

Ma ci sono alcune cose che gli scienziati possono definitivamente dire sulla questione.

Natalia Toro è una fisica teorica presso il National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e membro del Light Dark Matter Experiment (LDMX) e del Beam Dump Experiment (BDX) per la ricerca della materia oscura.

In un recente convegno ha fatto il punto sulla Materia Oscura:

1. È fatta per durare.

La materia oscura si è formata molto presto nella storia dell’universo. L’evidenza di ciò è evidente nel fondo cosmico a microonde, o CMB, lo strato etereo di radiazione lasciato dai primi momenti terribilmente caldi dell’universo.

Il fatto che esiste ancora tanta materia oscura circa 13,7 miliardi di anni dopo, ci dice subito che ha una durata di almeno 1017 secondi (o circa 3 miliardi di anni), sostiene la Toro.

Ma c’è un altro indizio più ovvio che la durata della materia oscura è molto più lunga di così: non vediamo alcuna prova di un decadimento della materia oscura.

Le particelle più pesanti nel Modello standard decadono, rilasciando la loro energia sotto forma di particelle più leggere. La materia oscura non sembra farlo, dice la Toro. “La materia oscura di qualunque cosa sia fatta, dura molto a lungo“.

Questa proprietà non è inaudita: elettroni, protoni e neutrini hanno una durata di vita estremamente lunga, ma è insolito, soprattutto se la materia oscura si rivelasse più pesante di quelle particelle leggere e stabili.

Una possibilità è che ci sia una sorta di carica in natura, e la materia oscura è la cosa più leggera che porta quella carica“, dice Toro.

Nella fisica delle particelle, la carica deve essere conservata, il che significa che non può essere creata o distrutta. Prendiamo il decadimento di un muone, una versione più pesante dell’elettrone. Un muone spesso decade in una coppia di neutrini, che non portano carica, e un elettrone, che condivide la carica negativa del muone. Quindi, anche se il muone è decaduto in altre tre particelle, la sua carica elettromagnetica è complessivamente conservata nei risultati del decadimento.

L’elettrone è la particella più leggera con una carica elettromagnetica negativa. Dal momento che non c’è nulla con una massa più piccola in cui decadere, rimane stabile.

Ma la carica elettromagnetica non è l’unico tipo di carica. I protoni, ad esempio, sono la particella più leggera che trasporta una carica chiamata numero barionico, che è legata al fatto che sono fatti di particelle chiamate quark (ma non anti-quark). Quark e gluoni hanno ciò che i fisici chiamano carica di colore, che sembra essere conservata nelle interazioni tra particelle.

È possibile che le particelle di materia oscura siano particelle stabili con un nuovo tipo di carica.

2. Modella intere galassie senza toccare nulla.

L’apparente stabilità della materia oscura sembra essere la chiave di un’altra delle sue qualità: la sua capacità di influenzare l’evoluzione dell’universo. Gli astrofisici pensano che la maggior parte delle galassie probabilmente non si sarebbero formate come hanno fatto senza l’aiuto della materia oscura.

Negli anni Trenta l’astrofisico svizzero Fritz Zwicky notò che qualcosa sembra influenzare le galassie nel Cluster Coma che si comportano come se fossero 400 volte più pesanti di quanto lo sarebbero se contenessero solo materiale luminoso. Questa discrepanza, attualmente, è stata ricalcolata in un valore più basso, ma esiste ancora. Zwicky coniò il termine “materia oscura” per descrivere qualsiasi cosa possa dare alle galassie la loro massa extra.

Negli anni ’70 Vera Rubin, un’astronoma della Carnegie Institution di Washington, usò prove spettrografiche per determinare che anche le galassie a spirale come la nostra sembrano agire come se avessero più massa di quanto appare. Questa galassie ruotano molto più rapidamente di quanto dovrebbero, cosa che potrebbe accadere se, ad esempio, fossero circondate da aloni invisibili di materia oscura.

Gli scienziati hanno visto un altro effetto della materia oscura sul materiale luminoso. Grappoli di materia oscura agiscono come buche cosmiche sul percorso della luce mentre attraversa il cosmo, piegandolo e distorcendolo in un processo chiamato “lente gravitazionale”. Gli astronomi possono mappare la distribuzione di materia oscura altrimenti invisibile studiando grazie alle lenti gravitazionali.

Proprio come la materia normale, la materia oscura non è uniformemente distribuita in tutto l’universo. Gli astrofisici pensano che quando le galassie si formarono, le aree dell’universo che avevano un po’ più di materia oscura (e quindi una maggiore attrazione gravitazionale) attirarono più materia, portando alla distribuzione di galassie che ora vediamo.

Se ci fosse stato un diverso schema di materia oscura in tutto l’universo – leggermente di più o di meno – le galassie avrebbero potuto formarsi più tardi, con densità diverse o, addirittura, avrebbero potuto non formarsi affatto, dice Toro. “Le galassie diventano molto più dense e potresti finire in una situazione in cui si formano molti buchi neri o potresti finire con molta più materia oscura“.

La materia oscura, notoriamente, non ha la maggior parte dei tipi di interazioni che le particelle del Modello Standard comunemente subiscono fin dall’inizio. “Una cosa che sappiamo concretamente osservando il CMB è che c’era un componente di quel plasma che non interagiva con gli elettroni e i protoni“, dice. “Questo è un chiaro vincolo: i componenti della materia oscura interagiscono meno degli elettroni e dei protoni“.

La materia oscura è così non reattiva che potrebbe persino non interagire con sé stessa; quando due galassie si fondono, i loro rispettivi aloni di materia oscura si incrociano semplicemente come fantasmi.

3. Rappresenta l’85% di tutta la materia dell’universo.

Sorprendentemente, nonostante sia poco chiaro ciò che la materia oscura è, gli astrofisici hanno determinato che rappresenta l’85% di tutta la materia presente nell’universo conosciuto. I fisici chiamano questa quantità “abbondanza cosmologica” della materia oscura.

L’abbondanza cosmologica può dirci molto sulla composizione dell’universo, spiega Toro, in particolare durante i suoi primi giorni, quando era molto più piccolo e denso. Durante l’evoluzione dell’universo primordiale, “la densità media era molto rappresentativa” dell’attuale materia oscura presente in qualsiasi area di esso”, dice.

Attualmente, afferma Toro, l’abbondanza cosmologica della materia oscura è “l’unico numero su cui i fisici possono avere certezze”. Gli scienziati hanno proposto – e stanno attivamente cercando – un numero di possibili candidati diversi della materia oscura. Sia che la materia oscura sia composta da un numero minore di WIMP pesanti o da un numero maggiore di assioni di luce, la sua massa totale deve sommarsi alla misura dell’abbondanza cosmologica.

La professoressa Toro sostiene che è importante prendere quel numero per quanto può essere preso e cercare di estrapolare diverse strategie per cercare la materia oscura da esso.

Quantificare qualsiasi altra cosa sulla materia oscura – la sua forza di interazione, il suo tasso di dispersione e un elenco di altre potenziali proprietà – sarebbe “sorprendente”, dice. “Avere qualsiasi conferma, trovare un’altra proprietà della materia oscura che potremmo effettivamente quantificare, sarebbe un enorme salto in avanti per la nostra comprensione di essa“.