Il mistero dello spazio: dalla scienza una soluzione all'enigma della materia oscura

L'anello della materia oscura nello spazio  - Sputnik Italia, 1920, 16.01.2022
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Approfondimento
Secondo i calcoli, lo spazio si compone prevalentemente di materia oscura. Questa non interagisce con nulla, quindi non può essere rilevata in alcun modo. L'origine, la composizione e le proprietà di questa sostanza sfuggente rimangono solo un'ipotesi.
Secondo una teoria recente, la materia oscura si sarebbe formata a partire da comuni particelle presenti durante le fasi precoci dell’Universo.

La scoperta della massa nascosta dell'Universo

Nel 1933, l'astronomo americano Fritz Zwicky, osservando le galassie dell'Ammasso della Chioma, a 300 milioni di anni luce dalla Via Lattea in direzione della galassia della Chioma di Berenice, scoprì che la massa dinamica dell'oggetto, determinata a partire dalla velocità di movimento delle galassie, era circa 50 volte maggiore del risultato basato sulle stime della luminosità stellare. Tre anni dopo, un altro americano, Sinclair Smith, riscontrò la stessa mancanza di massa nell’Ammasso della Vergine.
Una discrepanza così grande non può essere spiegata da un errore di calcolo, così gli scienziati conclusero che alcune galassie contengono materia non luminosa. Zwicky la chiamò materia oscura.
Per decenni si è parlato poco di questo, finché, nel 1970, gli astronomi americani Vera Rubin e Kent Ford pubblicarono i risultati sensazionali derivanti dalla misurazione della velocità delle stelle e delle nubi di gas all’interno della grande galassia a spirale M31 di Andromeda. Secondo la meccanica kepleriana, la velocità dovrebbe diminuire all'aumentare della distanza dal centro galattico. E nella galassia M31, sia al centro che alla periferia, le stelle si muovevano più o meno allo stesso modo, come se fossero legate insieme da una specie di implacatura, una nube gigante con una massa molto più grande delle stelle.
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Rubin, Ford e altri ricercatori riscontrarono lo stesso fenomeno in decine di altre galassie a spirale. Le velocità di rotazione previste ed effettive della materia differivano non di singoli punti percentuali o di decine di percentuali, ma di diverse volte. Secondo i calcoli, le stelle periferiche e il gas in una grande galassia a spirale devono muoversi a una velocità di 30-40 chilometri al secondo, mentre in realtà la velocità è di 150-200. Dunque, apparve chiaro che fosse necessario considerare alcuni fattori precedentemente sconosciuti.
E qui il termine proposto da Zwicky fu molto utile. Gli scienziati ipotizzarono che particelle di materia oscura di natura sconosciuta, inaccessibili all'osservazione diretta, partecipassero alla creazione dei campi gravitazionali galattici.
Oggi che i moderni supercomputer sono in grado di effettuare calcoli estremamente complessi, quest’ipotesi è ancora al centro dell’attenzione. Ad esempio, l’anno scorso soltanto sulle riviste di Physical Review sono stati pubblicati 345 articoli sul tema della materia oscura.

WIMP e assioni

Dagli anni '70 sono state tracciate per centinaia di galassia le cosiddette curve di rotazione, ossia rappresentazioni grafiche delle velocità orbitali delle stelle rispetto alla distanza dai centri galattici. In nessun caso coincidevano con i calcoli basati sulla distribuzione della massa della materia visibile.
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Naturalmente, la prima cosa che gli astronomi hanno cercato sono stati alcuni oggetti invisibili di materia ordinaria, come le nane brune, cioè stelle molto deboli delle dimensioni di Giove, ma decine di volte più massicce. In effetti, molti di questi corpi celesti sono stati scoperti alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 utilizzando i telescopi spaziali. Inoltre, si sono dimostrati essere la componente stellare più massiccia della Via Lattea. Sono state scoperte anche nubi fredde intergalattiche di idrogeno ed elio. Trasparenti alla luce delle stelle, emettono solo una caratteristica linea di idrogeno nello spettro e la loro massa negli ammassi di galassie è 10 volte quella delle stelle. Ma anche questo, come è emerso, non è sufficiente a spiegare le deviazioni delle curve di rotazione.
Secondo i modelli attuali, circa il 70% dell'universo è composto da energia oscura, il 25% è materia oscura e solo il 5% è materia ordinaria, barionica, di cui sono composte stelle, pianeti, gas e nuvole di polvere. In altre parole, la materia oscura è 5 volte più presente di quella ordinaria.
Gli scienziati hanno poi provato a determinare quali proprietà dovrebbero avere le particelle di materia oscura.
I fisici credono che queste particelle si muovano lentamente, il che significa che la materia oscura è fredda. Pertanto, i neutrini non sono adatti a ricoprire questo ruolo. Inoltre, interagiscono molto debolmente tra di loro, con le particelle di materia comune e con i fotoni, creando allo stesso tempo un campo gravitazionale, il che significa che sono sufficientemente massicci. Queste particelle sono state chiamate Particelle Massive a Bassa Interazione, o WIMP (dall’acronimo inglese). I calcoli hanno dimostrato che sono centinaia o migliaia di volte più pesanti di un protone. Il problema è riuscire a trovarle.
Dagli anni '90, le WIMP sono state cercate da decine di impianti in tutto il mondo. L'unico segnale che potrebbe confermare l'esistenza di particelle di materia oscura è stato registrato nel giugno 2020 dal rivelatore XENON, il più sensibile al mondo, presso il laboratorio del Gran Sasso, in Italia.
Il laboratorio si trova sottoterra, in profondità, per garantire la schermatura necessaria e ridurre il rumore di fondo. Il fulcro della struttura è un serbatoio di due tonnellate di xeno liquido radiopurificato. Se una particella di materia oscura in arrivo colpisse gli atomi di xeno, allora i fotoni e gli elettroni rilasciati e i fotomoltiplicatori nella parte superiore e inferiore del serbatoio la registrerebbero. Il 16 giugno 2020, gli scienziati hanno rilevato dei segnali in eccesso, che non erano in linea con il Modello Standard o il rumore di fondo. Tuttavia, non assomigliavano molto alle WIMP.
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Un altro candidato per la materia oscura sono le Particelle Sottili a Interazione Debole, o WISP. Il più noto di queste è l'assone. È stato introdotto dai teorici della cromodinamica quantistica per spiegare la simmetria CP. Gli scienziati credono che questa particella stabile priva di carica possa essere presente in forti campi magnetici. Anche gli assoni sono stati oggetto di ricerche fin dagli anni '90, anche attraverso esperimenti condotti al CERN, anch’essi finora senza risultato.

Quale materia è nata prima?

La materia oscura interagisce con la materia ordinaria e le radiazioni solo attraverso la gravità. Dai calcoli teorici e dalle osservazioni pratiche, una galassia diventa stabile se è immersa in una nube sferica, un alone di materia massiccia molto più grande del visibile. Questa nube mantiene le stelle e il gas galattico in equilibrio e impedisce alla galassia di collassare.
Gli scienziati ipotizzano che le particelle che forniscono la massa mancante nell'Universo apparvero subito dopo il Big Bang e che la loro distribuzione non fosse uniforme. Le aree di maggiore densità della materia oscura attiravano la materia ordinaria, che si accumulava in pozzi gravitazionali. È così che si formarono le prime stelle e poi le galassie. Senza la materia oscura come "catalizzatore" della concentrazione di materia, è difficile spiegare la rapida crescita dell'eterogeneità nel primo Universo.
Ma non è chiaro in che modo abbiano avuto origine le particelle di materia oscura. Per la fisica moderna riuscire a rispondere a questa domanda è uno dei compiti più ambiziosi.
Si pensa che la materia oscura si sia formata già allo stadio di cosiddetto "bagno termico", un plasma di elettroni, barioni e fotoni. Come risultato della loro interazione, nacquero altre particelle. Poi, quando l'Universo si espanse e il plasma si raffreddò, queste reazioni si fermarono e iniziò il processo di ricombinazione, che portò alla formazione degli atomi. Cioè, la materia oscura apparve immediatamente in grande abbondanza e il suo numero è rimasto costante da allora.
Recentemente, scienziati norvegesi, tedeschi, belgi, statunitensi e israeliani hanno proposto un’altra teoria.
Secondo loro, le particelle di materia oscura e ordinaria comparvero quasi contemporaneamente nel "bagno termico", ma poi la materia oscura cominciò ad aumentare esponenzialmente a causa del meccanismo di crescita esponenziale, caratteristico di molti processi fisici. Man mano che l'Universo si espandeva, questo processo si intensificava e si fermò solo quando l'espansione cominciò a rallentare.
In un tale scenario, si può capire perché la materia è solitamente concentrata non nelle regioni centrali delle galassie e degli ammassi di galassie, ma negli aloni galattici che li circondano.
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Soltanto il tempo, i nuovi esperimenti condotti sui grandi acceleratori a terra e le osservazioni sui telescopi giganti del futuro ci diranno se questo modello corrisponde alla realtà.
Per ora, i partecipanti ad un nuovo studio hanno riportato un risultato negativo. Gli scienziati sudcoreani hanno cercato di registrare nel rivelatore COSINE-100 le variazioni stagionali della registrazione delle WIMP, causate dai cambiamenti nella velocità della Terra rispetto all'alone di materia oscura durante il moto di rivoluzione intorno al Sole. La possibilità di catturare tali variazioni stagionali è stata segnalata già nel 1998, durante l’esperimento italiano DAMA. Ma l'analisi dei dati dell'esperimento COSINE-100 non ha rivelato alcuna traccia di materia oscura.
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