Materia oscura, il mistero è a un bivio

Le deformazioni della densità del gas galattico rivelano la presenza degli aloni spettrali di materia oscura. Ora si può provare a capire come è fatta

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22 Ottobre 2020
by The Conversation, UK edition
tradotto e adattato da Giampiero Muzi

La ricerca sulla materia oscura – una sconosciuta e invisibile sostanza ritenuta la principale componente della materia stessa nell’universo – è a un bivio. Sebbene stia avanzando intensamente da quasi 70 anni, questo tipo di ricerca (fatta anche tramite collisioni di grandi particelle, profondi rilevatori sottosuolo e strumentazione nel cosmo) ancora non è venuta a capo di questo mistero dello spazio. Gli astronomi hanno assicurato che non tralasceranno di studiare nemmeno una pietra nello spazio pur di riuscire a comprendere la natura della materia oscura e hanno iniziato a cercare anche più lontano nella galassia. L’idea è quella di estrarre informazioni dagli oggetti astrofisici che potrebbero avere delle testimonianze di materia oscura dopo averla attraversata. Ora c’è un nuovo metodo, che utilizza il tracciamento del gas galattico, e questo sistema potrebbe attualmente rivelarci di cosa sia composta. I fisici ritengono che la materia oscura abbia la tendenza a strutturarsi in una gerarchia di aloni e sub-aloni attraverso la forza di gravità. Le masse di questi nugoli si riversano su uno spettro, con quelli di massa minore che dovrebbero essere più numerosi. Esiste un limite di quanto leggeri possano essere? Dipende dalla natura delle particelle di materia oscura.

Dal calore al freddo
La materia oscura non può essere vista direttamente. Sappiamo che esiste perché possiamo constatare i suoi effetti gravitazionali sulla materia circostante. Ci sono differenti teorie attualmente su cosa sia. Il modello standard suggerisce che sia fredda, che si muova molto lentamente e che interagisca con l’altra materia solamente attraverso la forza di gravità. Questo sarebbe coerente con la teoria che sia composta di particelle note col nome di assioni – ipotetiche particelle elementari – o WIMPS (l’acronimo inglese per Weakly Interacting Massive Particles, massive particelle che interagiscono debolmente). Tuttavia un’altra teoria sostiene che sia invece calda, e che quindi si muova ad una velocità maggiore. In questo caso la particella candidata sarebbe il neutrino sterile.

Se la materia oscura fosse fredda, una galassia come la Via Lattea potrebbe celare uno o due sub-aloni del peso equivalente di 10 miliardi di masse solari e molti altri – centinaia probabilmente – con una massa di circa 100 milioni di soli. Ma se la materia oscura fosse calda, gli aloni più leggeri (di 100 milioni di masse solari) non si potrebbero formare facilmente. Quindi, conteggiare le masse leggere degli aloni scuri potrebbe indicarci qualcosa circa la natura della materia oscura.

Tracce di alone
Si ritiene che l’esistenza degli aloni con massa minore possa essere rivelata da una serie di osservazioni pianificate con attenzione. Gli astronomi hanno già cominciato a indagare e vedere questi aloni di materia oscura, e hanno anche ideato un sistema di osservazione per andare a rilevare i danni lasciati dagli aloni stessi. A questo scopo, le osservazioni hanno avuto come obiettivo principale i cambiamenti nella distribuzione delle stelle della Via Lattea. Ad esempio, la Grande Nube di Magellano, una galassia più piccola che ci orbita attorno, appare come se avesse un alone di materia oscura grande abbastanza da innescare un enorme cambiamento, guidando le stelle della galassia attraverso vaste aree e muovendole all’unisono. Si ritiene che alcuni dei più piccoli aloni di materia oscura sfreccino nella Via Lattea e possano occasionalmente penetrare attraverso larghi sistemi stellari – come fossero ammassi globulari, tipo una raccolta sferica di stelle – lasciando questi sistemi con delle aperture indicatrici. Gli aloni di materia oscura possono anche influenzare la piegatura degli oggetti astrofisici durante il processo di lente gravitazionale (previsto dalla teoria della relatività generale, secondo cui la traiettoria della luce è determinata dalla curvatura dello spazio-tempo prodotta dai corpi celesti; una lente gravitazionale è una distribuzione di materia, come una galassia o un buco nero, in grado di curvare la traiettoria della luce in transito in modo analogo a una lente ottica). Ma i segnali lasciati nelle distribuzioni stellari sono deboli e soggetti a generare confusione con i movimenti propri dei sistemi stellari. Un’altra via per indagare gli effetti degli aloni riguarda le conseguenze provocate sul gas galattico. Le galassie sono piene di gas caldo (con una temperatura altissima, anche vicina ai 1 milione di gradi Kelvin, pari a quasi 100mila gradi Celsius), il cui calore si estende pure al di fuori dei propri margini, fornendo così un’ampia rete per catturare questi aloni di materia oscura. Usando una combinazione di calcoli analitici e simulazioni al computer, abbiamo dimostrato che gli aloni scuri più pesanti di 100 milioni di masse solari possono comprimere il gas caldo che attraversano. Questi aloni possono creare delle locali difformità a punta nella densità del gas, che possono essere registrate dai telescopi a raggi X. Di queste si è pensato che fossero davvero piccole, ma in realtà i recenti telescopi a raggi X, Lynx e Athena, hanno la capacità di rilevarli. I nostri modelli rilevano che queste forme a punta prodotte nella densità del gas galattico più freddo (con temperature intorno ai 100mila gradi Kelvin, pari a 10mila gradi Celsius) hanno un significato maggiore. Questo vuol dire che il gas più freddo può registrare il passaggio degli aloni di materia oscura meglio del gas caldo. Un’altra strada promettente per l’osservazione delle fluttuazioni del gas indotto dalla materia oscura è quella che utilizza i fotoni (le particelle leggere) delle radiazioni cosmiche di fondo, praticamente la luce lasciata nell’universo dal Big Bang. La luce si disperde copiosamente negli elettroni energici del gas caldo in un modo che possiamo rilevare, fornendoci un approccio complementare per altri studi.


Nei prossimi anni questo nuovo metodo potrà essere usato per testare i modelli di materia oscura. A prescindere dal fatto se troveremo o no i previsti numeri di aloni di materia oscura con massa inferiore a 100 milioni di masse solari, impareremo comunque qualcosa di utile. Se i numeri saranno corrispondenti alle ipotesi teoriche, vorrà dire che il modello standard cosmologico avrà passato un test importante. Se non sarà così, o se saranno meno di quelli attesi, il modello sarà messo da parte e noi dovremo trovare un‘alternativa migliore per studiare la materia oscura. Questa resta un mistero e c’è ancora un enorme lavoro da fare per cercare di risolverlo. Qualsiasi sia la risposta che verrà dagli strumenti sulla Terra o dalle esplorazioni spaziali, non c’è dubbio che sarà una delle più importanti scoperte del secolo.


https://theconversation.com/dark-matter-our-method-for-catching-ghostly-haloes-could-help-unveil-what-its-made-of-147953