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Che cos’è la materia oscura?

Che cos’è la materia oscura? Esiste davvero la materia oscura?

La materia oscura è una sostanza misteriosa che si pensa componga forse circa il 27% della composizione dell’universo. Che cos’è? È più facile dire cosa non lo è.

Non sono atomi ordinari – i mattoni dei nostri corpi e tutto ciò che vediamo intorno a noi – perché gli atomi compongono solo da qualche parte circa il 5% dell’universo, secondo un modello cosmologico chiamato Lambda Cold Dark Matter Model (aka Lambda -Modello CDM , o talvolta solo il modello standard).

La materia oscura non è la stessa cosa dell’energia oscura , che costituisce circa il 68% dell’universo, secondo il Modello standard.

La materia oscura è invisibile; non emette, riflette o assorbe la luce o qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica come i raggi X o le onde radio. Pertanto, la materia oscura non è direttamente rilevabile, poiché tutte le nostre osservazioni sull’universo, a parte la rilevazione di onde gravitazionali , comportano la cattura di radiazioni elettromagnetiche nei nostri telescopi.

Tuttavia la materia oscura interagisce con la materia ordinaria. Presenta effetti gravitazionali misurabili su grandi strutture nell’universo come galassie e ammassi di galassie. Per questo motivo , gli astronomi sono in grado di creare mappe della distribuzione della materia oscura nell’universo, anche se non possono vederlo direttamente.

Lo fanno misurando l’effetto della materia oscura sulla materia ordinaria, attraverso la gravità.

Attualmente esiste un enorme sforzo internazionale per identificare la natura della materia oscura. Portando un arsenale di tecnologia avanzata per affrontare il problema, gli astronomi hanno progettato rivelatori sempre più complessi e sensibili per prendere in giro l’identità di questa misteriosa sostanza.

La materia oscura potrebbe consistere in una particella subatomica non ancora identificata di un tipo completamente diverso da ciò che gli scienziati chiamano materia barionica – questa è solo materia ordinaria, la materia che vediamo intorno a noi – che è costituita da atomi ordinari costruiti con protoni e neutroni .

L’elenco delle particelle subatomiche candidate si divide in alcuni gruppi: ci sono le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), una classe di particelle che si pensa siano state prodotte nell’universo primordiale. Gli astronomi credono che i WIMP potrebbero auto-annientarsi quando si scontrano tra loro, quindi hanno cercato nei cieli tracce rivelatrici di eventi come il rilascio di neutrini o raggi gamma . Finora non hanno trovato nulla. Inoltre, sebbene una teoria chiamata supersimmetria preveda l’esistenza di particelle con le stesse proprietà dei WIMP, anche le ripetute ricerche per trovare direttamente le particelle non hanno trovato nulla e gli esperimenti presso il Large Hadron Collider per rilevare la presunta presenza di supersimmetria non sono riusciti a trovarla.

Diversi tipi di rivelatori sono stati utilizzati per rilevare i WIMP. L’idea generale è che molto occasionalmente, un WIMP potrebbe scontrarsi con un atomo ordinario e rilasciare un debole lampo di luce, che può essere rilevato. Il rivelatore più sensibile finora costruito è XENON1T , che consiste in un cilindro di 10 metri contenente 3,2 tonnellate di xeno liquido, circondato da fotomoltiplicatori per rilevare e amplificare i lampi incredibilmente deboli di queste rare interazioni. A partire da luglio 2019, quando il rivelatore è stato messo fuori servizio per aprire la strada a uno strumento più sensibile, lo XENONnT , non sono stati osservati collisioni tra i WIMP e gli atomi di xeno.

Sebbene i WIMP siano stati a lungo i candidati preferiti per la materia oscura, non sono i soli candidati. L’incapacità di trovare i WIMP e la conseguente frustrazione per non essere in grado di rappresentare una percentuale significativa della massa dell’universo, hanno portato molti scienziati a cercare possibili alternative.

Al momento, un’ipotetica particella chiamata assione sta ricevendo molta attenzione. Oltre ad essere un forte candidato per la materia oscura, si ritiene anche che l’esistenza di assioni fornisca le risposte ad alcune altre domande persistenti in fisica come il Problema CP forte .

L’idea che ci possano essere cose nell’universo che sono invisibili a noi, che non emettono luce, ha una lunga storia che risale a centinaia di anni fa fino ai giorni di Newton. Con la scoperta delle cosiddette ” nebulose oscure ” – nuvole di polvere interstellare che bloccano la luce dalle stelle sullo sfondo – e le speculazioni del XVIII secolo di Pierre Laplace su oggetti che potrebbero ingoiare la luce, in seguito divenuti noti come buchi neri, gli astronomi arrivarono a accettare l’esistenza di un cosiddetto “universo oscuro”.

Ma nei tempi moderni, fu l’astronomo Fritz Zwicky , negli anni ’30, a fare le prime osservazioni di ciò che ora chiamiamo materia oscura. Le sue osservazioni del 1933 sul coma Cluster di galassie sembravano indicare che avesse una massa 500 volte superiore a quella precedentemente calcolata da Edwin Hubble . Inoltre, questa massa in più sembrava essere completamente invisibile. Sebbene le osservazioni di Zwicky abbiano inizialmente incontrato molto scetticismo, sono state successivamente confermate da altri gruppi di astronomi.

Trenta anni dopo, l’astronoma Vera Rubin ha fornito un’enorme prova dell’esistenza della materia oscura. Scoprì che i centri delle galassie ruotano alla stessa velocità delle loro estremità, mentre, ovviamente, dovrebbero ruotare più velocemente. Pensa a un LP in vinile su un registratore: il suo centro ruota più velocemente del suo bordo. Questo è ciò che la logica impone che dovremmo vedere anche nelle galassie. Ma noi no. L’unico modo per spiegarlo è se l’intera galassia è solo il centro di una struttura molto più grande, come se fosse solo l’etichetta sull’LP per così dire, facendo sì che la galassia abbia una velocità di rotazione costante dal centro verso il bordo.

Vera Rubin, seguendo Zwicky, postulò che la struttura mancante nelle galassie è materia oscura. Le sue idee sono state accolte con molta resistenza dalla comunità astronomica, ma le sue osservazioni sono state confermate e sono viste oggi come prove cardine dell’esistenza della materia oscura. In onore di questo cruciale e storico lavoro investigativo volto a stabilire l’esistenza della materia oscura, il rivoluzionario Large Synoptic Survey Telescope , attualmente in costruzione in Cile e programmato per vedere le prime luci il prossimo anno, è stato recentemente ribattezzato Osservatorio Vera C. Rubin .

Alcuni astronomi hanno provato a negare del tutto l’esistenza della materia oscura postulando qualcosa chiamato Dinamica Newtoniana modificata (MOND). L’idea alla base di ciò è che la gravità si comporta diversamente su lunghe distanze rispetto a ciò che fa localmente, e questa differenza di comportamento spiega fenomeni come le curve di rotazione della galassia che attribuiamo alla materia oscura. Sebbene MOND abbia i suoi sostenitori, mentre può spiegare la curva di rotazione di una singola galassia, le attuali versioni di MOND non possono semplicemente tenere conto del comportamento e del movimento della materia in grandi strutture come gli ammassi di galassie e, nella sua forma attuale, sono ritenute incapaci rendere completamente conto dell’esistenza della materia oscura. Vale a dire, la gravità lo facomportarsi allo stesso modo a tutte le scale di distanza. La maggior parte delle versioni di MOND, d’altra parte, ha due versioni di gravità, quella più debole che si verifica in regioni a bassa concentrazione di massa come nella periferia delle galassie. Tuttavia, non è inconcepibile che in futuro alcune nuove versioni di MOND potrebbero spiegare la materia oscura.

Sebbene alcuni astronomi credano che stabiliremo la natura della materia oscura nel prossimo futuro, la ricerca finora si è rivelata infruttuosa, e sappiamo che l’universo spesso ci sorprende in modo che nulla possa essere dato per scontato.

L’approccio che gli astronomi stanno adottando è quello di eliminare quelle particelle che non possono essere materia oscura, nella speranza che resteremo con quello che è.

Resta da vedere se questo approccio è quello corretto.

In conclusione: la materia oscura costituisce circa il 27% dell’universo secondo le teorie astronomiche. Non può essere visto o rilevato direttamente tramite gli strumenti esistenti degli astronomi, ma il suo effetto può essere misurato attraverso la sua attrazione gravitazionale sulla materia ordinaria.

 

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