10 cose che tutti dovrebbero sapere sulla materia oscura

Molti ne parlano, alcuni la cercano, nessuno sa cos'è: non per niente si chiama "materia oscura". Di questo elemento così diffuso nell'Universo sappiamo che cosa non è e come non si comporta, ma nessuno è mai riuscito a osservarne direttamente una sola particella. In un recente articolo l’astrofisica Sabine Hossenfelder riassume 10 cose che tutti (o almeno i lettori di Focus), dovrebbero sapere sulla materia oscura.

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Sarà anche oscura, ma non vuol dire che non la vediamo - La materia di cui siamo fatti noi, i pianeti e le galassie, tutta insieme fa solamente il 4,9 per cento della materia dell'Universo. Il 26 per cento circa del cosmo è materia invisibile: non sappiamo di che cosa sia effettivamente fatta. Il restante 69 per cento circa dell'Universo è "energia oscura", della quale sappiamo... poco o nulla. Il fatto che la materia più diffusa nell'Universo sia "oscura" non significa solo che è invisibile ai nostri occhi o quasi del tutto sconosciuta: è oscura perché non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica, né nello spettro della luce visibile, né nei raggi X e nemmeno nelle altissime energie.

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È proprio materia - La materia oscura, per quanto misteriosa, ha gli stessi comportamenti della materia comune almeno per ciò che riguarda l'interazione con lo spazio e con il tempo: si diluisce quando può espandersi in un volume più ampio ed esercita la stessa attrazione gravitazionale della materia ordinaria. Nella foto, una mappa tridimensionale della materia oscura nell'Universo elaborata dalla Nasa e dall'Esa.

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Come facciamo a sapere che c'è? - L'esistenza della materia oscura è dimostrabile: per esempio con il fatto che le galassie esercitano una forza di attrazione gravitazionale più grande di quella attribuibile alla sola materia visibile (vedi come). La materia oscura è anche necessaria per spiegare perché le stelle più esterne ruotano così velocemente attorno al centro della loro galassia. E le fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo (foto), cioè la radiazione elettromagnetica residua prodotta dal Big Bang che permea l'Universo, non sarebbe spiegabile senza la materia oscura.

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Non fu scoperta da Vera Rubin - Il primo astrofisico a rendersi conto che la massa visibile delle galassie non era sufficiente a spiegarne la forza gravitazionale e a teorizzare l'esistenza di una nuova forma di materia fu, nel 1933, lo svizzero Fritz Zwicky durante lo studio delle galassie della Chioma e della Vergine. Vent'anni più tardi l'astronoma americana Vera Rubin riuscì a collezionare una serie di dati che dimostravano l'esistenza della materia oscura in tutte le altre galassie e non solo in quelle osservate da Zwicky.

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La Materia oscura "sta molto sulle sue" - Non interagisce né con la materia ordinaria né con se stessa. Un esempio ce lo fornisce l'ammasso del Proiettile (nella foto), formato da due ammassi di galassie passati uno attraverso l'altro (vedi). Al centro della foto, in rosa, c'è la materia ordinaria, “immortalata” dai raggi X di Chandra: nello scontro ha rallentato la sua corsa e ha cambiato visibilmente forma. Al contrario la materia oscura, evidenziata in blu ai alti, non sembra aver subito particolari effetti.

 

Come si può osservare la materia oscura? Grazie a un effetto noto come lente gravitazionale: si tratta della deflessione della radiazione emessa da una sorgente luminosa a causa della presenza di una massa posta tra la sorgente e l'osservatore.

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È responsabile della struttura dell'Universo - Non interagendo con la materia ordinaria, la materia oscura è il primo tipo di elemento che si espande insieme all'Universo e il primo a formare strutture grazie alla sua stessa forza gravitazionale. La materia oscura dà cioè forma ai primi filamenti che formano la struttura delle galassie: attorno a questi, attratta dalla loro forza di gravità, converge la materia ordinaria. Nell'immagine: la formazione di strutture di materia oscura in una simulazione.

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Non è distribuita uniformemente - La materia oscura non solo forma filamenti più grandi delle galassie, ma non è neanche distribuita uniformemente tra le galassie stesse. La sua interazione è troppo debole perché riesca a formare oggetti densi come pianeti, ma si condensa in "nuvole" che si muovono nelle galassie. La densità di queste nuvole varia ed è maggiore verso il centro delle galassie stesse. E poiché la materia oscura non ruota insieme alle stelle, sistemi solari come il nostro si muovono all'interno di un vento di particelle di materia oscura. Nell'immagine: la simulazione su larga scala della distribuzione della materia nell'Universo, con le galassie distribuite in ammassi e filamenti.

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I fisici hanno molte teorie - Che cosa potrebbe essere la materia oscura? Secondo le ipotesi più accreditate si tratta di particelle diverse dai “soliti” protoni, neutroni ed elettroni a noi noti. I fisici per il momento le chiamano Wimp (Weakly Interacting Massive Particles, cioè “particelle con massa poco interagenti”), perché questi presunti corpuscoli non emettono (né riflettono) luce e attraversano come fantasmi la materia ordinaria. Si tratterebbe di particelle molto pesanti - con massa pari almeno a quella della più pesante particella conosciuta. Oppure potrebbe trattarsi di assioni, particelle elementari molto leggere che però si aggregano in ammassi molto pesanti che riempiono l'Universo. Nell'immagine composita: l'ammasso galattico Abell 520 dove si suppone sia presente un "picco" di materia oscura.

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Però sappiamo che cosa non è - L'incertezza degli astrofisici finisce quando si incomincia a parlare di che cosa non è la materia oscura: non è formata per esempio da buchi neri o nane brune. Conosciamo infatti la massa della materia oscura presente nella nostra galassia e se fosse formata interamente da buchi neri vedremmo costantemente eventi prodotti da lenti gravitazionali (nella foto). Ma così non succede. E la materia oscura non può essere fatta nemmeno di neutrini, poiché sono troppo leggeri e non riuscirebbero a legarsi tra loro così da formare i filamenti che formano la struttura delle galassie.

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Chi l'ha vista? - Nessuno è mai riuscito a osservare direttamente una particella di materia oscura e le uniche prove che abbiamo della sua esistenza sono indirette. Ogni tanto, però, qualche collisione potrebbe esserci, e vari esperimenti in tutto il mondo (in Italia, nei laboratori del Gran Sasso) cercano di “fotografare” questi eventi per capire qualcosa sulle Wimp. Finora non si sono ottenuti risultati, e non manca chi ritiene che si tratti di un abbaglio (vedi). Secondo il fisico israeliano Mordehai Milgrom, per esempio, la materia oscura non esiste affatto: è la gravità che bisognerebbe riscrivere. Ai margini delle galassie, afferma, questa forza sarebbe più intensa di quanto ipotizzato dalle attuali teorie. Nella foto: uno scienziato nel laboratorio sotterraneo di Boulby (Inghilterra), dove si svolge l’esperimento denominato Drift che sta cercando di rilevare la materia oscura.

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Come proseguire - La materia oscura è un bell'enigma per gli astrofisici di tutto il mondo ed è comprensibile se gli spunti che avete letto in queste schede non vi hanno dato tutte le risposte. Per iniziare potete allora guardare questo video dedicato alla materia e all'energia oscura, mentre qui trovate un secondo video, più breve, solo sulla materia oscura. Infine, a questo link trovate tutte le ultime teorie e le ricerche in corso nel mondo per "osservare" la materia oscura.

Sarà anche oscura, ma non vuol dire che non la vediamo - La materia di cui siamo fatti noi, i pianeti e le galassie, tutta insieme fa solamente il 4,9 per cento della materia dell'Universo. Il 26 per cento circa del cosmo è materia invisibile: non sappiamo di che cosa sia effettivamente fatta. Il restante 69 per cento circa dell'Universo è "energia oscura", della quale sappiamo... poco o nulla. Il fatto che la materia più diffusa nell'Universo sia "oscura" non significa solo che è invisibile ai nostri occhi o quasi del tutto sconosciuta: è oscura perché non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica, né nello spettro della luce visibile, né nei raggi X e nemmeno nelle altissime energie.