Si può comprendere la materia oscura?

I primi studi sulla materia oscura

Perché gli scienziati pensano che esista la materia oscura?

I primi indizi del fatto che qualcosa nell’universo non fosse come sembrava sono emersi negli anni 30 del secolo scorso. L’astronomo svizzero-statunitense Fritz Zwicky stava osservando un gruppo di galassie e cercava di capire a che velocità si muovessero. Con sorpresa scoprì che si muovevano a velocità molto più grandi del previsto. Erano così veloci che avrebbero dovuto rapidamente disperdersi, sfuggendo alla forza di gravità dell’ammasso.

Peccato che non lo facevano. Zwicky fu costretto a concludere che doveva esserci molta più materia nell’ammasso che ne aumentava la forza di attrazione gravitazionale complessiva e manteneva le galassie unite. La discrepanza non era per niente piccola. Stimò che ci fosse 400 volte più materia di quella che poteva vedere. Non riuscendo a spiegare che cosa fosse questa materia misteriosa, la chiamò semplicemente `dunkle materie’ —che in tedesco significa ‘materia oscura’.

I primi studi sulla materia oscura

Nello stesso periodo, l’astronomo olandese Jan Oort arrivò a una conclusione simile. Stava osservando le stelle che orbitano ai confini della Via Lattea. Si aspettava di vedere le stelle più lontane dal centro galattico muoversi più lentamente. È ciò che avviene nel nostro Sistema solare: quanto più un pianeta è lontano dal Sole, tanto più tempo impiega a compiere un’orbita. Ma non fu quello che scoprì Oort. Le stelle più esterne sfrecciavano più veloci di quanto dovevano. Per spiegare come potessero restare legate alla Via Lattea nonostante le loro notevoli velocità, Oort suppose che ci fosse materia invisibile dotata di massa sparsa per la galassia. Nel 1980, l’astronoma statunitense Vera Rubin osservò lo stesso effetto in circa 100 galassie diverse. Qualunque cosa fosse questa materia invisibile, era ovunque.

Oggi, un effetto chiamato ‘lente gravitazionale’ fornisce ulteriori prove al fatto che accade qualcosa di strano. Se vediamo una grande quantità di massa, per esempio un ammasso di galassie, muoversi di fronte a una sorgente luminosa distante, Vera Rubin studiò una grande quantità di galassie e scopri che gli effetti della materia oscura sono diffusi ovunque l’oggetto in primo piano è in grado di deviare la luce da quello sullo sfondo facendola girare intorno. Questa luce crea una serie dì archi che uniti formano quello che è noto come ‘anello di Einstein’. Quanta più massa è presente, maggiore è l’effetto di deviazione. Ma spesso non c’è abbastanza massa nel gruppo di stelle per rendere conto della deviazione che osserviamo. Di nuovo, ci deve essere massa extra nascosta alla vista.

Che cosa si pensa che sia la materia oscura?

I fisici hanno un prontuario per l’universo noto come ‘Modello standard delle particel elementari’. Usando le sue ricette, possono rendere conto del comportamento delle forze e del modo in cui le particelle interagiscono una con l’altra. Questo modello è stato convalidato diverse volte, anche dagli esperimenti al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. La pagina mancante alla fine del libro era Il bosone di Higgs, scoperto di recente. Ma non c’è nulla in queste ricette che permetta ai fisici di cucinare qualcosa che si comporti come la materia oscura. Qualcosa in grado di interagire con la materia normal attraverso la gravità, in modo però da restar nascosto e non interagire con la luce. Nel tentativo di spiegare questo comportamento i fisici hanno ipotizzato l’esistenza di un nuovo tipo di particelle: particelle dotate eli massa debolmente interagenti – in inglese Weakly Interacting Massive Particles (WIMP). ‘Interagiscono debolmente’ perché non interagiscono con la luce, e sono ‘dotate di massa’ perché interagiscono attraverso la gravità.

Quando gli astronomi simulano al computer un universo che si sviluppa con la materia oscura in forma di WIMP, ottengono una struttura che si accorda abbastanza bene con la distribuzione delle galassie che vediamo oggi. Anche una teoria fisica oltre il Modello standard chiamata supersiunetria sembra calzare con questo quadro. In passato si sono considerate altre spiegazioni, tra cui i MACHO, l’acronimo di MAssitle CompactHalo Object, `oggetto di alone dotato di massa’: l’idea è che ci siano grandi oggetti come buchi neri che si muovono non visti nella Via Lattea. Quando contiamo la massa che vediamo, non li includiamo, quindi sottostimiamo la massa della galassia. Tuttavia, osservazioni e simulazioni sull’universo primordiale hanno gettato pesanti dubbi su questa idea. Per adesso le WIMP sono senz’altro le favorite.

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