La materia oscura... esiste oppure no? Con l’ultima, sofisticata ricerca condotta con il Large Underground Xenon (LUX), durata oltre un anno e mezzo, non si è riusciti ad individuare alcuna traccia di quelle particelle che, secondo alcuni, dovrebbero appunto costituire la materia oscura.
La relazione è stata presentata alla Identification of Dark Matter Conference (IDM2016) di Sheffield (Gran Bretagna, luglio 2016). I risultati arrivano da un esperimento realizzato in South Dakota, all’interno di una ex miniera d’oro, dove si sono cercate le ipotizzate interazioni tra particelle di materia oscura, chiamate Weakly Interactive Massive Particle (WIMP), e la materia ordinaria, ossia la materia di cui siamo fatti tutti noi e l’Universo che conosciamo.
LUX è un'installazione a 1.500 metri di profondità: è un rivelatore di WIMP costituito (in estrema sintesi) da 370 kg di Xenon liquido all’interno di una cisterna da 70.000 litri d’acqua. «La nostra macchina è complessa e già più sensibile di quanto pensavamo: siamo certi che se nel corso dell’esperimento fosse passata una particella WIMP, l’avremmo intercettata», ha commentato Sally Show, membro del gruppo di lavoro di LUX.
Eppure esiste, Forse. Il risultato dell'esperimento obbliga ora gli astronomi a cercare altre soluzioni per spiegare la materia oscura, un tipo di materia che non riusciamo a osservare direttamente e la cui esistenza ha senso nel modello standard della cosmologia (la teoria basata sul Big Bang). In uno scenario alternativo, ossia se la teoria fosse errata, potrebbe non essere necessaria: sono affermazioni curiose, ma occorre considerare che la materia oscura è dedotta da un modello matematico e non da evidenze sperimentali.
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.
Foto: © American Museum of Natural History
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.
Foto: © NASA/ESA/Richard Massey (California Institute of Technology)
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.
Foto: © ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF/IASF, Milano, Italy) / CFHTLS
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.
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.
Foto: © NASA/ESO
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.
Foto: © MPA Garching
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.
Foto: © NASA
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.
Foto: © NASA
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.
Foto: © NASA/CFHT
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.
Foto: © SPL /Contrasto
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.
Della sua esistenza è comunque certo Cham Ghag, della University College London (UCL) e tra gli ideatori di LUX, il quale spiega: «La materia oscura rappresenta i quattro quinti della massa dell’Universo: è, a livello mondiale, una delle priorità della ricerca scientifica».
A favore dell’esistenza della materia oscura vi sono gli effetti gravitazionali che produce su vasta scala, come per gli ammassi di galassie che (si ipotizza) senza il contributo gravitazionale della materia oscura non potrebbero rimanere aggregati per tempi cosmici. Secondo la maggior parte degli astronomi senza la materia oscura non si potrebbe insomma spiegare l'esistenza degli ammassi di galassie.
C’è chi sostiene che la materia oscura potrebbe essere composta da MACHO (Massive Compact Halo Object), ossia oggetti di massa molto elevata, come stelle di neutroni o buchi neri, difficilissimi da individuare.
L’esperimento LUX continuerà nei prossimi anni e il gruppo di lavoro sta già lavorando al LUX-ZEPLIN, l’evoluzione di LUX, che sarà almeno 70 volte più sensibile.
