Tutti la cercano, ma ancora nessuno è riuscito a individuarla.
Si tratta della materia oscura, quel mistero della cosmologia che rappresenta una delle sfide più complesse per gli studiosi.
Anche l’Italia da tempo tenta di risolvere questo annoso enigma e per questo oggi ha messo in pista un ambizioso esperimento chiamato PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment), che traccia una nuova strada in questo campo.
Avviato ufficialmente il 4 ottobre 2018, dopo mesi di test preliminari necessari per verificare il corretto funzionamento di ogni strumento coinvolto, il progetto ha preso vita presso i Laboratori di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Sono decenni che gli studiosi tentano di indagare su quella materia la cui identificazione è tanto difficile da essere battezzata “oscura”.
Nonostante gli sforzi, tuttavia, la materia non convenzionale rimane un enigma e le notizie che abbiamo a disposizione sulla sua natura sono relativamente poche.
1. Cosa è la materia oscura e perché si usa proprio l’aggettivo “oscura” per definirla?
- Cosa è la materia oscura?
Si chiama materia oscura la maggior parte della materia presente nell’Universo che sembra non emettere né assorbire la radiazione elettromagnetica, manifestando la sua presenza solo attraverso gli effetti gravitazionali.
Le osservazioni indicano che essa costituisce circa l’85 per cento della massa dell’Universo.
Ancora oggi non si sa cosa sia realmente, ma la maggior parte dei fisici pensa sia costituita da un nuovo tipo di particella neutra, diversa da quelle elementari ampiamente conosciute.
È importante sottolineare che si merita il nome di ‘materia’ perché pare avere gli stessi comportamenti della materia ordinaria: esercita attrazione gravitazionale e si diluisce quando può espandersi in un volume più ampio.
- Perché si usa proprio l’aggettivo “oscura” per definirla?
Il termine ‘oscura’ è stato coniato perché non emette luce. Per la precisione, inizialmente è stata chiamata ‘massa mancante’, perché pur manifestando i suoi effetti gravitazionali sulla materia visibile, non si riusciva a trovare.
2. Chi ha scoperto questa materia non convenzionale e perché siamo convinti esista questa materia diversa dall’ordinaria?
- Chi ha scoperto questa materia non convenzionale?
Il primo a suggerirne l’esistenza fu l’astronomo svizzero Fritz Zwicky nel 1933, che osservò come le galassie negli ammassi si muovevano più rapidamente di quanto era previsto dalla massa osservabile, quella luminosa.
Una successiva e convincente evidenza la dobbiamo all’astronoma statunitense Vera Rubin (Filadelfia, 23 luglio1928 – Princeton, 25 dicembre2016), che negli anni ‘70 ipotizzò la presenza di una non meglio precisata forma di materia.
- Perché siamo convinti esista questa materia diversa dall’ordinaria?
Abbiamo varie prove a riguardo. Innanzitutto, e fu proprio Vera Rubin a evidenziarlo, la velocità con cui le stelle orbitano attorno ai centri delle galassie a spirale rimane alta anche alla periferia delle galassie, in disaccordo con la teoria newtoniana della gravitazione, che prevede una velocità delle stelle lontane minore al diminuire della forza di gravità.
Esattamente come i pianeti più lontani del sistema solare orbitano più lentamente intorno al Sole di quanto non facciano i più vicini.
Queste sorprendenti discrepanze, si spiegano solo considerando una massa delle galassie che si estende ben oltre le stelle più lontane.
Come già detto, per giustificare le osservazioni sperimentali, questa materia invisibile dovrebbe costituire l’85 per cento della massa presente nell’Universo.
Altre prove vengono dall’esistenza nel cosmo di numerose ‘lenti gravitazionali’, cioè di distribuzioni di materia, come una galassia o un buco nero, capaci di curvare la traiettoria della luce in transito in modo analogo a una lente ottica.
Solo con la presenza di massicce quantità di materia oscura si ottengono masse in grado di deviare il percorso della luce come osservato, poiché la massa visibile risulta del tutto insufficiente.
Inoltre, senza questa grande quantità di materia oscura intenta a formare agglomerati e ad attrarre la materia ordinaria, non si potrebbero spiegare la formazione di galassie e ammassi di galassie nel tempo calcolato dall’evento iniziale del Big Bang stesso.
3. Perché alcuni studiosi non credono esista e quali sono le principali strade percorse per osservarla?
- Perché, invece, alcuni studiosi non credono esista?
I tentativi di catturare o generare le particelle che compongono la materia oscura non hanno finora dato esiti convincenti, lasciando spazio a interpretazioni alternative che invocano una modifica delle equazioni della gravità a grandi distanze, quali quelle galattiche.
Un’altra possibile spiegazione chiama in causa i buchi neri primordiali: fluttuazioni di densità di energia nell’Universo appena creato potrebbero aver formato moltissimi buchi neri in un’epoca in cui ancora non esistevano le particelle elementari.
Forse la nuova astronomia delle onde gravitazionali contribuirà a chiarire se effettivamente sono presenti.
- Quali sono le principali strade percorse per osservarla?
Si può dire che i metodi sono tre. Il primo prevede di misurare il passaggio di particelle di materia oscura tramite i loro urti, supposti come molto rari, ma comunque possibili, contro nuclei di opportune sostanze.
Dopo tali impatti il nucleo emetterà energia da rilevare grazie a un apparato particolarmente sensibile. Occorrono strumentazioni molto grandi, presenti in un ambiente con bassissimo disturbo di fondo, poiché letale sarebbe il disturbo dovuto al passaggio dei raggi cosmici.
Per questo si utilizzano laboratori sotterranei come quelli del Gran Sasso dell’INFN all’Aquila. Gli esperimenti Dama, Xenon e Darkside situati in questo laboratorio sono quelli più citati nella letteratura scientifica internazionale.
Un secondo metodo consiste nella rivelazione dei possibili prodotti dovuti all’annichilazione di particelle e antiparticelle di materia oscura o del loro decadimento nello Spazio.
Il terzo approccio, alternativo a quello della loro rivelazione in natura, consiste nella produzione di particelle di materia oscura in laboratorio.
Esperimenti con il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra possono essere in grado di rilevare particelle di materia non convenzionale prodotte nelle collisioni dei fasci di protoni.
La presenza di queste particelle sarebbe osservata indirettamente come un’energia mancante nel bilancio dei vari rivelatori.
4. Gli interrogativi sulla natura della materia oscura
- La materia oscura è dovunque?
La materia oscura produce ovunque strutture dovute alla gravità.
Recentemente ha comunque fatto discutere la scoperta di una galassia, chiamata NGC1052–DF2, che sembra avere al suo interno pochissima materia oscura: i calcoli della dinamica rotazionale che la caratterizza sono corretti considerando quasi solo la materia visibile.
In altre parole, le stelle della galassia sono sufficienti a rendere conto di quasi tutta la sua massa, senza bisogno di aggiungere molta materia oscura.
Da un lato, paradossalmente, questa osservazione dimostra che le leggi di Newton ed Einstein sono valide e non necessitano di correzioni.
Dall’altro, apre nuovi stimolanti scenari, tutti da investigare, sull’evoluzione delle galassie.
- Gli interrogativi sulla natura della materia oscura sono numerosi e ancora senza risposta. Sappiamo, però, cosa non è?
In effetti abbiamo poche certezze a riguardo e sappiamo solo che non può essere costituita dalle particelle elementari che oggi conosciamo.
5. È vero che esiste una mappa della materia oscura e qual è il rapporto tra materia oscura ed energia oscura?
- È vero che esiste una mappa della materia oscura?
È vero. Nell’Universo in espansione, le galassie e la materia oscura sottoposte alla forza di gravità tendono a formare degli agglomerati.
Basandosi sulla forma di milioni di galassie, un team internazionale di astronomi del Japanese Subaru Telescope nelle Hawaii, ha individuato la posizione degli ammassi di materia oscura nell’Universo, riuscendo a definire una mappa in 3D che fornirà informazioni anche sulle caratteristiche dell’energia oscura.
- Qual è il rapporto tra materia oscura ed energia oscura?
Materia oscura ed energia oscura sono due entità diverse. La seconda è un’ipotetica forma di energia non direttamente rilevabile, diffusa omogeneamente nello Spazio, che potrebbe giustificare, tramite una grande pressione negativa, l’espansione accelerata dell’Universo che osserviamo e altre evidenze sperimentali.
Si stima che debba rappresentare una gran parte, quasi il 70 per cento, del contenuto complessivo di massa ed energia dell’Universo.
Se aggiungiamo al computo il 25 per cento di materia oscura, appare evidente come solo il 5 per cento della massa ed energia totali dell’Universo ci siano noti. Insomma, materia oscura ed energia oscura sono due entità che compongono la maggior parte dell’Universo, ma hanno effetti molto diversi.
La materia oscura, con la sua attrazione gravitazionale, tende ad incoraggiare la crescita delle strutture.
Al contrario, l’energia oscura aumenta lo spazio tra le galassie e gli ammassi, diminuendo la loro attrazione. Studiando la densità degli ammassi di galassie in funzione del tempo, potremo capire la competizione tra materia oscura ed energia oscura nel plasmare il cosmo.
