La materia oscura, per sua stessa natura, è nascosta. Non possiamo osservarla con i telescopi e neppure i fisici delle particelle hanno mai avuto la fortuna di rilevarla attraverso gli esperimenti. Dunque perché io e migliaia di miei colleghi crediamo che la maggior parte della massa dell’universo si fatta di materia oscura, ben più della materia ordinaria che costituisce le stelle e i pianeti e tutti gli altri oggetti visibili nei nostri cieli? Per rispondere a questa domanda bisogna capire cosa la materia oscura può e cosa non può fare, capire dove si cela nell’universo e realizzare che “oscura” è solo il primo tassello del puzzle.
Un’influenza nascosta
La nostra storia della materia oscura comincia con la velocità e la gravità. Attraverso il cosmo noi osserviamo oggetti viaggiare in orbita sotto l’influenza della gravità. Così come la Terra orbita attorno al Sole, il Sole orbita attorno al centro della nostra galassia.
La nostra galassia è incredibilmente massiccia, così il nostro Sole orbita alla velocità di 230 km al secondo pur trovandosi a 26.700 anni luce dal centro della galassia. Tuttavia, man mano ci allontaniamo da questo centro, le velocità orbitali delle stelle restano pressoché le stesse. Perché? Diversamente dal Sistema solare, la cui massa è dominata dal Sole, nella nostra galassia la massa è distribuita per migliaia di anni luce. Più ci si allontana dal centro galattico, più il numero di stelle e gas compresi in questo raggio cresce. Questa massa in più può spiegare la grande velocità della più lontana delle stelle nella nostra galassia? Non abbastanza.
Nel 1960, la pioneristica astronoma americana Vera Rubin misurò la velocità orbitale nella galassia di Andromeda (la più vicina alla Via Lattea) alla distanza di 70 mila anni luce dal nucleo della galassia. E – fatto notevole – benché la distanza andasse ben oltre di quella della maggioranza delle stelle e dei gas di Andromeda, la velocità orbitale restava attorno ai 250 km/s.
Questo fenomeno non è esclusivo delle galassie. Già prima, nel 1930, l’astronomo svizzero-americano Fritz Zwicky scoprì che le galassie che orbitavano dentro ammassi di galassie si stavano muovendo molto ma molto più velocemente di quanto ci si aspettasse. Cosa stava succedendo? Una possibilità era che ci fosse una gran quantità di massa nascosta tra le stelle e i gas: la materia oscura. In effetti, il lavoro di Zwicky, Rubin e della successiva generazione di astronomi mostra che c’è più materia oscura nell’universo di quella ordinaria (così come per l’energia oscura, ma quella è tutt’altra storia).
La nostra incapacità di vederla o di captarla, cosa interessante, ci fornisce però indizi su come si comporta: per esempio, deve avere poche interazioni tra sé e con la materia ordinaria, eccetto per la forza di gravità – altrimenti l’avremmo colta in flagrante a emettere luce e a interagire con le altre particelle.
Dal momento che la materia oscura interagisce soprattutto per mezzo della sola gravità, ha alcune curiose proprietà. Una nube di gas caldo nello spazio può perdere energia emettendo luce, e dunque raffreddarsi. Una nube abbastanza grande e fredda di gas può collassare sotto la propria stessa gravità e formare stelle. Al contrario, la materia oscura non può perdere energia emettendo luce. Così, mentre la materia ordinaria può collassare in oggetti densi come stelle e pianeti, la materia oscura resta più diffusa. Questo spiega una contraddizione apparente. Anche se la materia oscura potrebbe dominare la massa dell’universo, non pensiamo ce ne sia molta nel nostro Sistema solare.
La simulazione riuscita
Poiché il moto della materia oscura è dominato esclusivamente dalla gravità, è anche relativamente facile farne un modello per l’analisi e nelle simulazioni. Dagli anni Settanta abbiamo sviluppato formule per il numero di strutture della materia oscura, le quali peraltro prevedevano il numero delle galassie massicce e degli ammassi di galassie. Inoltre, le simulazioni possono fare modelli dell’accumulo di strutture lungo la storia dell’universo. Insomma, il paradigma della materia oscura non solo spiega i dati, ma ha anche un potere predittivo.
C’è una qualche alternativa alla materia oscura? Ne deduciamo la sua presenza dalla gravità, ma se la nostra comprensione della gravità fosse sbagliata? Forse la gravità è più forte ad ampie distanze più di quanto pensiamo. Ci sono diverse teorie della gravità alternative, come la MoND, Dinamica Newtoniana Modificata, che è l’esempio più conosciuto.
Ma come distinguiamo la materia oscura dalla gravità modificata? Diciamo, nella maggioranza delle teorie la gravità attira massa. Dunque, se non c’è materia oscura, la gravità attirerà la materia ordinaria, mentre se la materia oscura domina allora la gravità dovrebbe attirare soprattutto materia oscura. Dunque dovrebbe essere semplice dire qual è la teoria giusta, no? E invece non proprio, dal momento che la materia oscura e quella “convenzionale” più o meno si inseguono a vicenda. Ma ci sono alcune utili eccezioni.
Fate scontrare nuvole di gas e materia oscura assieme e accadrà qualcosa di meraviglioso. Il gas collide per formare una sola nube, mentre le particelle di materia oscura continuano semplicemente a muoversi sotto l’influenza della gravità. Questo accade quando gli ammassi di galassie entrano in collisione tra loro ad alte velocità.
Come misuriamo l’attrazione della gravità negli ammassi di galassie che si scontrano? Ora, la gravità non attira soltanto la massa ma anche la luce, dunque le immagini distorte delle galassie diventano una traccia dell’attrazione gravitazionale. E nelle collisioni tra gruppi di galassie, la gravità si concentra verso dove dovrebbe esserci la materia oscura, non verso la materia ordinaria.
Increspature nel tempo
Possiamo vedere l’influenza della materia oscura non solo oggi ma nel lontano passato, indietro direttamente fino al Big Bang.
La radiazione cosmica di fondo, ultimo residuo del Big Bang, può essere osservata in tutte le direzioni. E in questa palla di fuoco possiamo vedere increspature, risultato dell’onda sonora che passa attraverso il gas ionizzato. Queste onde sonore provengono dall’interazione tra gravità, pressione e temperatura nell’universo primordiale. La materia oscura interagisce con la gravità, ma non risponde a temperatura e pressione come la materia ordinaria, di conseguenza la forza delle onde sonore dipende dalla proporzione tra materia ordinaria e materia oscura. Come ci aspettavamo, le misurazioni di queste increspature raccolte dai satelliti e dagli osservatori a terra rivelano che c’è più materia oscura che materia ordinaria nel nostro universo.
Perciò dichiariamo il caso chiuso? La materia oscura è per forza la risposta? La maggioranza degli astronomi direbbe che la materia oscura è la più semplice e migliore spiegazione per molti fenomeni cui assistiamo nell’universo. Certo, ci sono potenziali problemi per i più semplici modelli di materia oscura, come il numero di piccole galassie satellite, ma sono problemi interessanti più che insormontabili difetti. Sta di fatto che non abbiamo ancora trovato direttamente la materia oscura. Ciò non mi infastidisce particolarmente, perché in fisica ci sono capitoli di storia su particelle che si sono fatte rilevare direttamente dopo decenni [ndt: come il bosone di Higgs, per esempio]. Se tra vent’anni non avremo ancora rilevato la materia oscura la cosa mi darà da pensare, ma per il momento scommetto che la materia oscura sia un vero affare.
L’articolo è stato pubblicato originariamente in inglese su The Conversation. Traduzione a cura della redazione di Galileo.
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