La materia oscura: scopriamo i segreti dell’Universo

1. Perché gli scienziati pensano che esista la materia oscura?

I primi indizi del fatto che qualcosa nell’universo non fosse come sembrava sono emersi negli anni 30 del secolo scorso.

L’astronomo svizzero-statunitense Fritz Zwicky stava osservando un gruppo di galassie e cercava di capire a che velocità si muovessero.

Con sorpresa scoprì che si muovevano a velocità molto più grandi del previsto. Erano così veloci che avrebbero dovuto rapidamente disperdersi, sfuggendo alla forza di gravità dell’ammasso.

Peccato che non lo facevano. Zwicky fu costretto a concludere che doveva esserci molta più materia nell’ammasso che ne aumentava la forza di attrazione gravitazionale complessiva e manteneva le galassie unite.

La discrepanza non era per niente piccola. Stimò che ci fosse 400 volte più materia di quella che poteva vedere.

Non riuscendo a spiegare che cosa fosse questa materia misteriosa, la chiamò semplicemente ‘dunkle materie’ - che in tedesco significa ‘materia oscura’.

Nello stesso periodo, l’astronomo olandese Jan Oort arrivò a una conclusione simile. Stava osservando le stelle che orbitano ai confini della Via Lattea. Si aspettava di vedere le stelle più lontane dal centro galattico muoversi più lentamente.

E ciò che avviene nel nostro Sistema solare: quanto più un pianeta è lontano dal Sole, tanto più tempo impiega a compiere un’orbita. Ma non fu quello che scoprì Oort. Le stelle più esterne sfrecciavano più veloci di quanto dovevano.

Per spiegare come potessero restare legate alla Via Lattea nonostante le loro notevoli velocità, Oort suppose che ci fosse materia invisibile dotata di massa sparsa per la galassia.

Nel 1980, l'astronoma statunitense Vera Rubin osservò lo stesso effetto in circa 100 galassie diverse. Qualunque cosa fosse questa materia invisibile, era ovunque. Oggi, un effetto chiamato ‘lente gravitazionale’ fornisce ulteriori prove al fatto che accade qualcosa di strano.

Se vediamo una grande quantità di massa, per esempio un ammasso di galassie, muoversi di fronte a una sorgente luminosa distante, l’oggetto in primo piano è in grado di deviare la luce da quello sullo sfondo facendola girare intorno.

Questa luce crea una serie di archi che uniti formano quello che è noto come ‘anello di Einstein’. Quanta più massa è presente, maggiore è l'effetto di deviazione.

Ma spesso non c’è abbastanza massa nel gruppo di stelle per rendere conto della deviazione che osserviamo. Di nuovo, ci deve essere massa extra nascosta alla vista.

2. Che cosa si pensa che sia la materia oscura?

I fisici hanno un prontuario per l'universo noto come 'Modello standard delle particelle elementari’.

Usando le sue ricette, possono rendere conto del comportamento delle forze e del modo in cui le particelle interagiscono una con l’altra.

Questo modello è stato convalidato diverse volte, anche dagli esperimenti al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. La pagina mancante alla fine del libro era il bosone di Higgs, scoperto di recente.

Ma non c’è nulla in queste ricette che permetta ai fisici di cucinare qualcosa che si componi come la materia oscura. Qualcosa in grado di interagire con la materia normale attraverso la gravità, in modo però da restare nascosto e non interagire con la luce.

Nel tentativo di spiegare questo comportamento, i fisici hanno ipotizzato l'esistenza di un nuovo tipo di particelle: particelle dotate di massa debolmente interagenti - in inglese Weakly Interacting Massive Partides (WIMP).

‘Interagiscono debolmente’ perché non interagiscono con la luce, e sono 'dotate di massa’ perché interagiscono attraverso la gravità.

Quando gli astronomi simulano al computer un universo che si sviluppa con la materia oscura in forma di WIMP, ottengono una struttura che si accorda abbastanza bene con la distribuzione delle galassie che vediamo oggi.

Anche una teoria fisica oltre il Modello standard chiamata supersimmetria sembra calzare con questo quadro. In passato si sono considerate altre spiegazioni, tra cui i MACHO.

È l’acronimo di MAssive Compost Halo Object, ‘oggetto di alone dotato di massa’: l’idra è che ci siano grandi oggetti come buchi neri che si muovono non visti nella Via  Lattea.

Quando contiamo la massa che vediamo, non li includiamo, quindi sottostimiamo la massa della galassia. 

Tuttavia, osservazioni e simulazioni sull’universo primordiale hanno gettato pesanti dubbi su questa idea. Per adesso le WIMP sono senz’altro le favorite.

3. Che cosa stanno facendo gli scienziati per trovare la materia oscura?

Come trovare qualcosa che, per definizione, è nascosto alla vista? Di certo non si può osservare.

A peggiorare le cose, le particelle WIMP sono così evanescenti da attraversare la maggior parte delle volte indisturbate la materia ordinaria - compreso qualsiasi rivelatore costruito per catturarne una.

Per dare l’idea, la materia oscura è così abbondante che miliardi di particelle di materia oscura ti attraversano ogni secondo. Eppure, in media, solo una particella ogni cinque minuti interagisce con un atomo di materia ordinaria del tuo corpo.

L’idea che le particelle di materia oscura di tanto in tanto si degnino di interagire con la materia ordinaria è alla base dell’esperimento LUX (Large Underground Xenon), condotto nelle profondità del Sud Dakota, negli Stati Uniti.

Gli scienziati hanno occupato una miniera d’oro abbandonata e sistemato un rivelatore di materia oscura a 1600 metri sotto la superficie del terreno.

Consiste di 370 chilogrammi di xenon liquido protetti da 264 979 litri d’acqua ed è progettato per catturare le particelle WIMP che occasionalmente interagiscono con lo xenon.

Se una WIMP rimbalza contro un atomo di xenon, l’atomo viene accelerato attraverso il liquido e causa un lampo che può essere rilevato dai banchi di macchine fotografiche super-sensibili disposti intorno.

Gli scienziati potrebbero rilevare le particelle di materia oscura anche quando interagiscono tra loro in un processo chiamato annichilazione. Quando si verifica, si pensa che produca una cascata di particelle ‘normali’, che dovremmo osservare.

Un esperimento simile è AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer), a bordo della Stazione Spaziale Intemazionale. E a caccia della prova di un frammento atomico che provenga dalla annichilazione di WIMP vicino al centro galattico.

Anche il Sole può essere d'aiuto. In quanto oggetto più grande del Sistema solare agisce come un gigantesco aspirapolvere cosmico che aspira le particelle di materia oscura in cammino attraverso la galassia.

Alcune di queste particelle dovrebbero annichilarsi nel Sole, producendo una raffica di particelle ordinarie. Sfortunatamente, il Sole è così denso che la maggior parte di queste particelle figlie rimarranno intrappolate all’interno.

Ci sono però particelle - i neutrini - che possono sfuggire e viaggiare nello spazio fino a noi. Esperimenti come IceCube, in Antartide, sono pensati per raccogliere questi segnali rivelatori.

Infine c’è LHC, il Large Hadron Collider (foto sotto). Il 5 maggio 2015 gli esperimenti sono ripresi con gli scontri tra protoni dopo i due anni di sosta serviti a incrementare la potenza dell’acceleratore.

Si spera che facendo scontrare particelle con la più grande energia di sempre, la natura inizi a rivelare qualche nuovo segreto sul suo funzionamento intimo.

Forse potremo anche intravedere una prova della supersimmetria, la teoria che supera il Modello standard ed è coerente con la spiegazione della materia oscura basata sulle WIMP.

Se però LHC non troverà prove per la supersimmetria potrà dare il via alla corsa per risposte alternative al perché nell’universo sia cori tanta la massa ‘mancante’.

4. La materia oscura potrebbe essere qualcosa d’altro?

Finora abbiamo assunto che la materia oscura è tangibile, qualcosa che esiste davvero.

Ma se non fosse così? Se fosse un fantasma - un segno del fatto che non capiamo bene la forza di gravità?

È quello che propongono i sostenitori di una teoria chiamata MOND (Modified Newtonian Dynamics, ‘dinamica newtoniana modificata').

Come dicevamo, una delle prime ragioni per cui fu introdotta la materia oscura è spiegare perché le stelle nella Via Lattea non sono più lente se si trovano più lontane dal centro galattico, a differenza dei pianeti del Sistema solare.

Ma se ci fosse una regola per la gravità su piccole scale (come un sistema stellare) e un’altra su grandi scale (come una galassia)?

La legge di Newton ci permette di inviare persone sulla Luna o sonde verso i pianeti, ma estenderla a regioni remote dell’universo potrebbe non funzionare e ciò spiegherebbe perché siamo disorientati dallo strano moto di certe stelle.

L’idea fu proposta per la prima volta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom nel 1983. Milgrom suggerì che la forza di gravità potrebbe aumentare quando le accelerazioni sono piccole (come ai confini di una galassia a spirale).

L'idea può spiegare alcuni dettagli su come funzionano le galassie in modi in cui la teoria della materia oscura non è in grado di fare.

Tuttavia, non ci sono al momento ragioni per sospettare che la gravita si comporti in modo diverso a scale diverse e la teoria MOND fatica a spiegare perché le galassie si ammassino nel modo che osserviamo.

Un'ultima critica riguarda il fato che quella di Newton non è oggi la migliore teoria gravitazionale che abbiamo - il riconoscimento va ora alla relatività generale di Einstein. Per questo il lavoro di alcuni si concentra sul rendere le teorie MOND 'relativistiche'.

Ma la materia oscura ha qualcosa a che fare con l'energia oscura? No. Energia oscura è il nome dato alla misteriosa entità che si pensa provochi l’accelerazione generale dell'universo - una specie di anti-gravità.

Al contrario, la materia oscura si può immaginare come una colla gravitazionale che lega insieme galassie e ammassi di galassie. Il fatto che condividano lo stesso aggettivo indica la nostra complessiva ignoranza sulla natura di entrambe - siamo letteralmente all'oscuro di cosa siano davvero.

Puoi pensare alla storia dell’universo come a un tiro alla fune tra queste due entità oscure. Quando l’universo era giovane, le galassie erano vicine tra loro e la materia oscura dominava - l’universo si espandeva lentamente.

Ora che si è espanso, le galassie si allontanano tra loro e la forza complessiva della materia oscura su grande scala inizia a diminuire. Ora l’energia oscura sta vincendo la battaglia e accelerando l’espansione dell'universo.

5. C’è molta materia oscura?

La materia oscura surclassa decisamente la materia ordinaria che forma persone, pianeti e stelle.

Si pensa che la nostra Via Lattea sia al 90 per cento materia oscura e solo al 10 per cento materia ‘normale‘ (chiamata anche materia barionica).

Di tutta la materia nell’universo, l'85 per cento è materia oscura e solo il 15 per cento materia barionica.

Bisogna però fare attenzione a una cosa: la differenza tra quanta parte dell’universo sia materia oscura e quanta materia dell'universo sia oscura. Secondo la famosa equazione di Einstein E=mc², massa e energia sono due facce della stessa medaglia.

Per questo i cosmologi spesso parlano di massa-energia dell'universo - tutta la massa e tutta l’energia messe insieme. In questi temimi, l’universo è formato al 68 per cento da energia oscura, al 27 per cento da materia oscura e solo al 5 per cento da atomi.

Se non calcoliamo l'energia oscura, i numeri tornano quelli di prima - 85 per cento materia oscura, 15 per cento materia barionica. In cosa potrebbe riguardarmi la caccia alla materia oscura?

Come per tutte le ricerche scientifiche, le applicazioni pratiche all'inizio sono difficili da prevedere. Spesso però le tecnologie messe a punto hanno ripercussioni nella vita di tutti i giorni.

Prendi il CERN, per esempio. La prima pagina di internet è stata info.cern.ch: la tecnologia del web è stata concepita per far comunicare i computer dell'istituto. Una possibile ricaduta della caccia alla materia oscura sono macchine digitali migliori.

È oggi in costruzione il Large Synoptic Survey Telescope (foto sotto). Dal 2021 scruterà il cielo dalla cima di una montagna nel deserto del Cile.

Dotato di una camera da 3200 megapixel - la più grande al mondo sarà in grado di tracciare una mappa della struttura dell'universo per mettere alla prova le teorie sulla materia oscura.

La nuova tecnologia usata per costruire una macchina fotografica così grande alla fine troverà applicazioni nei mercati della fotografia commerciale e dell'imaging medico.