La materia oscura
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La materia oscura

Il Modello Cosmologico Standard, per funzionare, ha bisogno di una quantità di materia molto superiore a quella visibile. Materia che ad oggi si esprime soltanto sotto l'aspetto della gravità, manifestandosi come causa di curvatura dell'universo. Sebbene le osservazioni siano favorevoli alla materia oscura, in realtà ogni tentativo di isolarne le particelle è andato male e attualmente non esiste neanche un principale indiziato.

Le prove della materia oscura

Esistono movimenti nell'universo, specialmente nelle galassie e negli ammassi di galassie, che non riescono a trovare giustificazione gravitazionale conteggiando la sola materia visibile. Proprio dagli studi di Zwicky e Rubin nasce la materia oscura

Per funzionare, il Modello Cosmologico Standard ha bisogno della presenza di una componente oscura rappresentante oltre il 95% della composizione dell'universo stesso, il che potrebbe rappresentare un forte freno nell'accettazione del modello stesso. I dati ottenuti dai telescopi orbitanti sulla radiazione cosmica di fondo forniscono infatti una composizione dell'universo suddivisa tra materia normale, o barionica, in misura del 4.9%, materia oscura con effetto gravitazionale attrattivo in misura del 26.8% ed energia oscura, con potere gravitazionale repulsivo, in misura del 68.3%.

Composizione dell'universo secondo i dati del 2013 del satellite Planck. Crediti ESA
Composizione dell'universo secondo i dati del 2013 del satellite Planck. Crediti ESA

Senza questa materia "oscura" il Modello Cosmologico Standard non riuscirebbe a spiegare la formazione di galassie e ammassi galattici nel tempo calcolato e non potrebbe neanche spiegare come facciano le galassie attuali a non disperdersi sotto la spinta della propria rotazione .

Dal momento che la composizione di questa materia non è affatto nota, ci si muove in un campo "oscuro" e proprio per questo si parla di materia oscura fermo restando il fatto che potrebbe trattarsi anche di materia del tutto normale e conosciuta che tuttavia, ad oggi, non è ancora possibile osservare poiché troppo debole.

Definiamo, semplicemente,  “materia” o "materia barionica" tutto ciò che occupa spazio è che è formato da particelle dotate di massa (ossia composto da atomi).

Le materia si manifesta in natura in due modi:

  1. interagendo con la materia circostante grazie alla forza di gravità (e con una regola ben precisa definita “Legge di Gravitazione Universale”);
  2. emettendo energia, ossia radiazione elettromagnetica: ogni corpo con temperatura superiore allo zero assoluto emette fotoni.

Proprio grazie all'energia ed agli effetti gravitazionali della materia riusciamo a stimare la massa di una stella così come la distribuzione di materia all'interno di una galassia o di un ammasso galattico . Le interazioni gravitazionali sono, ad esempio, fondamentali nel caso di un sistema binario : già nel 1844, studiando i movimenti di una coppia di stelle “abbastanza” vicine, F.W. Bessel determinò come i movimenti orbitali di Sirio fossero influenzati da un oggetto non visibile ma di massa simile, determinazione che fui poi riconfermata 18 anni dopo con la scoperta della compagna di Sirio da parte di A.G. Clark

La temperatura (e quindi l'energia) invece ci consente di determinare la massa di una stella grazie all'equazione che regola il rapporto esistente tra la massa di una stella e la sua luminosità (c.d. relazione massa-luminosità).
Grazie al lavoro di Arthur Eddington sappiamo che la massa di una stella ne definisce la luminosità in modo molto semplice: le stelle di massa maggiore sono più luminose delle stelle di massa minore. 

Stimata quindi la massa di una galassia osservandone la luce “visibile”, le osservazioni empiriche degli effetti gravitazionali avrebbero dovuto corrispondere ai risultati determinati dall'applicazione della Legge di Gravitazione Universale: in base alla materia visibile e ad i suoi conseguenti effetti gravitazionali le stelle più lontane dal centro galattico dovrebbero ruotare molto più lentamente, visto che si trovano a distanza maggiore dal centro di massa. Velocità superiori determinerebbero il superamento della velocità di fuga e quindi l'abbandono della galassia da parte delle stelle più veloci. Non è così.  

Nel 1933 l'astronomo Fritz Zwicky, studiando la dinamica delle galassie spirali all'interno dell'ammasso della Chioma di Berenice, stimò la massa di ogni galassia dell'ammasso, sommandole per determinare la massa totale dell'ammasso stesso. Cercò di ottenere lo stesso risultato con una misurazione diversa e indipendente, basata sulla dispersione della velocità delle galassie singole nell'ammasso, giungendo però a una massa totale ben 400 volte superiore alla prima. Il risultato ci dice che il movimento delle galassie facenti parte dell'ammasso sarebbe troppo veloce per la massa calcolata come somma della massa visibile. Il fatto che le galassie si muovano così velocemente implica che esiste tanta altra massa che le lega gravitazionalmente ma che non riusciamo a vedere.

Stessa cosa ottenne l'astronoma Vera Rubin studiando la curva di rotazione di singole galassie a spirale: i risultati hanno dato evidenza di quanto le stelle più esterne ruotino più velocemente di quanto atteso e di come la loro velocità non diminuisca all'allontanarsi dal centro galattico, dando vita a una curva decisamente più piatta (curva bianca) rispetto a quella attesa (curva rossa).

La curva di rotazione delle galassie a spirale rispetto alla curva attesa.
La curva di rotazione delle galassie a spirale rispetto alla curva attesa.

Il movimento osservato lascia quindi presupporre come le galassie siano composte da molta più materia di quella che riusciamo a vedere sotto forma di energia osservandone la luce. La materia attualmente “visibile” dell'universo non è quindi sufficiente a spiegarne le dinamiche ed i risultati delle osservazioni empiriche sono giustificati solo ipotizzando la presenza di altra materia che non riusciamo a vedere e di natura forse diversa da quella ordinaria.

E' per questo che definiamo la materia mancante “oscura” : non siamo in grado di osservarne la radiazione ma possiamo vederne chiaramente gli effetti gravitazionali.

Gli effetti della materia oscura sulla materia circostante sono inoltre riscontrabili grazie al fenomeno della lente gravitazionale : infatti, la massa di un oggetto posto tra un oggetto che emette “luce” ed il punto di osservazione flette la radiazione emessa da quest'ultimo creando un effetto ottico analogo a quello di una lente. Osservando due imponenti ammassi di galassie (Abell-2218 e Abell-1689) e valutando la dinamica della luce flessa che presentava deviazioni di luce laddove non erano presenti masse visiili si è considerato come questi fossero composti per la gran parte di materia oscura.

Proprio a partire da questi effetti gravitazionali, nel 2007 la NASA è giunta alla conclusione per la quale non solo le galassie a spirale e gli ammassi galattici sono pregni di materia oscura, ma tutto l'universo ne risulta pieno. I dati di Hubble Space Telescope e della Cosmic Evolution Survey hanno consentito anche di elaborare una mappa di distribuzione della materia oscura in base alla distanza.

Mappa di distribuzione della materia oscura in base al tempo. Crediti NASA/ESA/HST
Mappa di distribuzione della materia oscura in base al tempo.
Crediti NASA/ESA/HST

Il Modello Cosmologico Standard prevede una densità di materia oscura talmente alta al centro degli ammassi di galassie da tenere ben fissa al centro degli stessi la Galassia Cluster Maggiore (BCG, Brighter Cluster Galaxy): si tratta della galassia maggiore, incastonata in una materia oscura talmente densa da non potersi muovere, nel modo più assoluto. Le osservazioni, però, sembrano non andare d'accordo con questo fattore: le osservazioni del EPFL Laboratory of Astrophysics in Francia hanno infatti mostrato dei movimenti della BCG al centro di ammassi galattici e lo stesso risultato è stato osservato tramite lenti gravitazionali. Anziché una densa regione centrale di materia oscura, quindi, sembra di trovarsi in una zona meno densa del previsto a evidenziare come la materia oscura, se esiste, è ancora più esotica di quanto ipotizzato fino al momento della scoperta (Ottobre 2017, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).
Come dichiarato da  Bruce H. Margon, astronomo all'Università di Washington, in occasione di un intervista al New York Times nel 2001: “E' una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90% [della materia] dell'Universo

Un metodo per tentare l'osservazione globale di tutta la materia oscura potrebbe consistere nello studio della lente gravitazionale applicato alla Radiazione Cosmica di Fondo : ottenendo una mappa delle distorsioni su una radiazione che permea tutto l'universo dovrebbe infatti essere possibile ottenere una distribuzione di masse globale, comprensiva della materia oscura. Il problema è separare il segnale interessante dalla radiazione che non serve allo scopo, in particolare quella legata alla polvere cosmica. Le galassie e la polvere, tuttavia, producono una lente mediamente simmetrica quindi occorre prendere in esame soltanto le lenti che producono shearing (distorsione asimmetrica) (Physical Review Letters - “Foreground-Immune Cosmic Microwave Background Lensing with Shear-Only Reconstruction”, di Emmanuel Schaan et al)

Ultimo aggiornamento del: 13/05/2019 20:54:17

Di cosa è fatta la materia oscura

Risultando totalmente invisibile, la materia oscura potrebbe ad oggi comporsi di qualsiasi tipologia di materia, nota o sconosciuta. Le idee sono diverse ma fino a oggi nessun esperimento ha portato a risultati di alcun tipo.

Le tipologie di materia oscura prevalenti si basano su due discriminanti principali quali tipologia di materia e temperatura della stessa. 

In base alla prima distinzione si distingue tra una materia oscura barionica, cioè composta da corpi celesti noti ma troppo deboli per essere osservati, e una materia esotica con caratteristiche del tutto sconosciute. 

In base alla temperatura si distingue tra materia oscura calda (Hot Dark Matter - HDM) e materia oscura fredda (Cold Dark Matter - CDM), con riferimento alla velocità delle particelle che la compongono. Il Modello Standard deve il nome "Modello Lambda-Cold Dark Matter" alla preferenza verso questo ultimo tipo di materia oscura, barionica o esotica che sia. Nonostante questa dominanza, gli scienziati si domandano se oltre alla gravità siano davvero da escludere altre forme di interazione, seppur debolissime

Materia oscura barionica

Una prima ipotesi vede la materia oscura composta da gas non luminosi, buchi neri, stelle di neutroni, nane bianche ed oggetti non luminosi come pianeti gioviani, nane rosse molto deboli e nane brune (definiti con l'acronimo MACHOMassive Compact Halo Objects).

L'equilibrio chimico dell'universo smentisce però in parte questa tesi. Sappiamo che la struttura chimica dell'universo, quindi la proporzione degli elementi che lo compongono, si è stabilizzata circa tre minuti dopo il Big Bang . L'attuale abbondanza di deuterio è coerente con la massa visibile, quindi la quantità di materia oscura barionica è molto più piccola della quantità complessiva della materia oscura “necessaria” all'equilibrio gravitazionale osservato.

Per essere precisi, fino al 2018 neanche tutta la materia barionica prevista dal Modello Standard era stata trovata. Attraverso l'osservazione insistita di un quasar distante da parte di XMM-Newton è stato possibile rivelare la presenza di materia barionica che, secondo i calcoli, dovrebbe esistere e che finora era segnata come "mancante". I barioni mancanti all'appello sono circa il 40% di quelli che i modelli ci indicano come esistenti e sempre secondo i modelli dovrebbero essere ammassati nei filamenti di gas che raccordano le galassie tra di loro. Il quasar osservato tra il 2015 e il 2017 per un totale di tre settimane si chiama 1ES 1553+113 e ha rivelato, dato il lungo tempo di esposizione, righe spettrali debolissime finora mai osservate e rincoducibili a barioni presenti nel mezzo intergalattico caldissimo. Quantità e posizione coincidono con le predizioni, quindi uno dei misteri della cosmologia di oggi sembra risolto, ma non riguarda la materia oscura bensì la materia barionica ancora non vista ma prodotta, secondo i modelli.

Neutrini e altre particelle di Warm Dark Matter

Il neutrino è una particella elementare prodotta dalle reazioni termonucleari che avvengono all'interno delle stelle, dalle esplosioni di supernova oppure come residuo del Big Bang (neutrini fossili). I neutrini hanno carica elettrica neutra e fino a poco tempo fa si pensava che fossero privi di massa. La scoperta della massa del neutrino però non ha svelato la natura della materia mancante: anche ipotizzando di considerarla nella misura maggiore stimata essa non è ancora sufficiente a spiegare la quantità di materia oscura “necessaria”. Data la velocità, i neutrini rappresenterebbero la materia oscura calda, così come altre particelle - puramente teoriche - che potrebbero interagire proprio con i neutrini (Sownak Bose et al. ETHOS – "an Effective Theory of Structure Formation: detecting dark matter interactions through the Lyman-α forest"Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2019)). Si tratta di pura teoria che tuttavia ha trovato modo di essere valutata in simulazioni di laboratorio: in molte osservazioni simulate, gli effetti di questa teorica interazione tra particelle di materia oscura e neutrini sono risultati del tutto infinitesimi tanto da non poter essere evidenti. La firma di queste interazioni, tuttavia, starebbe nella distribuzione delle galassie distanti nello spazio con particolare riguardo al gas di idrogeno.

Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)

WIMPs è l'acronimo di Weakly Interacting Massive Particles: particelle ipotetiche, mai osservate, che interagiscono con la materia solo tramite la forza di gravità e la forza nucleare debole. La loro natura ipotetica le rende, a tutt'oggi, il candidato più ricercato tra tutte le possibili soluzioni di materia oscura. Trattandosi di elementi teorici "lenti", le WIMPs rappresentano proprio la materia oscura calda.

Fotoni

Dati i buchi nell'acqua legati alle WIMPs, una teoria di scienziari russi sostiene la possibilità per la quale i fotoni stessi potrebbero rappresentare la "materia oscura" ricercata. La teoria si basa sul fatto che i fotoni, sebbene siano indicati come particelle prive di massa, abbiano in realtà una massa positiva il cui limite superiore è pari a 10-31 grammi. Anche se il valore è decisamente infinitesimo, la somma di tutte le masse dei fotoni presenti nell'universo potrebbe essere sufficiente a colmare il vuoto che in genere richiede l'impiego della materia oscura. Si tratta di una forma di materia oscura che in ogni caso potrebbe affiancarsi ad altre (link all'articolo).

Monopoli magnetici oscuri

Nel mondo che siamo soliti osservare, i magneti hanno un polo nord e un polo sud. I monopoli si differenziano per avere un solo polo e sono stati teorizzati senza mai essere stati osservati in laboratorio. I monopoli oscuri, se esistenti, potrebbero interagire con fotoni oscuri e elettroni oscuri e se così fosse ci sarebbe anche l'opportunità, teorica, di osservarne gli effetti tramite cambiamenti di fase nella funzione d'onda di un elettrone prossimo al monopolo (effetto Aharonov-Bohm). Questo modello di materia oscura è stato avanzato durante Planck 2019, 22° International Conference tenutasi dal 3 al 7 giugno a Granada, ma per poter osservare effetti previsti occorre una risoluzione migliore di quella, già miracolosa, di LIGO.

Assioni

Teorizzati per spiegare apparenti violazioni alla simmetria di base, gli assioni sono particelle esotichee ipotetiche indicate come possibile "materia oscura" anche se - come per il resto - non se ne vede traccia. Nessuna traccia è risultata anche nell'esperimento di fine 2017 portato avanti dal CfA: per la teoria, in presenza di campo magnetico , gli assioni interagiscono con i fotoni dando vita a oscillazioni che portano a trasmutazioni tra fotoni e assioni stessi. Proprio per questo motivo è stata puntata la galassia M87 con Chandra X-Ray Observatory, al fine di osservare variazioni nei flussi X visto che le oscillazioni dovrebbero essere maggiori in presenza di maggiori energie nei fotoni. Nulla, come detto, è risultato ma anche questo può essere un buon risultato visto che si fissano paletti ancora più stringenti alle condizioni alle quali gli assioni (se esistono) devono sottostare per dar vita alle oscillazioni teorizzate. 

Come detto, non è certo che gli assioni possano esistere: sono stati inventati esclusivamente per spiegare uno degli enigmi della fisica delle alte energie e cioè un certo tipo di simmetria naturale che elimina le cariche elettriche in una interazione casuale (simmetria di carica e parità, CP). Questa simmetria vale ovunque, o quasi: fa eccezione, ad esempio, la forza nucleare debole la quale la viola spesso. L'enigma sta nel fatto che anche la forza nucleare forte dovrebbe portare a violazioni eppure non esiste segno di forzatura e regna la simmetria. Qualcosa, quindi, deve ripristinare la simmetria che dovrebbe essere invece rotta.Questo qualcosa è individuato negli assioni, particella che quindi preserva la CP ma che si muove in un range di masse e proprietà ancora del tutto vago. Proprio questa vaghezza fa sì che molte proprietà assegnate agli assioni siano simili a quelle assegnate alla materia oscura. Gli assioni, così, possono spiegare le curve di rotazione delle galassie e possono adattarsi al fondo cosmico di microonde. Possono formare qualcosa di simile a un buco nero supermassivo, qualcosa di non eliminato neanche dalla prima immagine dell'Event Horizon Telescope. L'immagine del buco nero di M 87 non elimina la possibilità che il buco nero sia in realtà nuclei di assioni nascosti nel centro galattico e se così fosse vorrebbe dire che i nuclei di assioni si sono evoluti insieme alla galassia ospite. Maggiore è la dimensione della galassia e più sarebbe grande il nucleo dell'assione, e questo può fissare una relazione tra oggetto oscuro centrale e galassia stessa, e quindi proprietà degli assioni.

Dal 2009 si sta tentando di osservare in via diretta l'interazione tra materia oscura e nuclei di xeno posti in profondità: eventuali collisioni genererebbero, come su un tavolo da biliardo, uno spostamento dell'atomo dipendentemente da massa e velocità della particella oscura. Ad oggi nulla è mai stato osservato, il che può dipendere dall'inesistenza della materia oscura o da parametri troppo bassi di massa e velocità, non in grado di muovere l'atomo conosciuto. Per capire quale delle soluzioni sia valida sarebbe fondamentale riuscire a comprendere la velocità della materia oscura e questo potrebbe essere un parametro rintracciabile nella nostra Via Lattea . Partendo dal presupposto per il quale la materia oscura dovrebbe essere coeva delle stelle più antiche della Via Lattea e che le due componenti dovrebbero essere nate insieme, si può ipotizzare come anche il movimento possa essere solidale quindi occorrerebbe andare a verificare l'esistenza di un set di stelle antiche, riconoscibili dalla scarsità di metalli, con movimenti in linea con i movimenti (dedotti) della materia oscura. La velocità di queste stelle dovrebbe essere la stessa velocità della materia oscura. Allo stato attuale il set di stelle non è ancora stato isolato, ma la survey di Gaia sarà sicuramente utile anche in tal senso. 

Una origine pre-Big Bang

Come visto, a oggi non sono mai state trovate evidenze empiriche di alcuna forma di materia oscura tra quelle battute dagli scienziati. Un modo per evitare di dover andare a rintracciare altri tipi di interazione, oltre a quello gravitazionale, è "ammettere" come la materia oscura possa essere più antica del Big Bang: in tal caso non si presenterebbe come particella da scoprire ma potrebbe essere scovata tramite l'effetto giocato nella distribuzione nel cielo delle galassie. L'inflazione cosmica, la rapida espansione dell'universo giovanissimo, dovrebbe aver provocato una copiosa formazione di alcune tipologie di particelle chiamate scalari (una tra queste è data dal Bosone di Higgs, l'unica a oggi a essere stata scoperta). Un modo per testare questa "pre-esistenza" al Big Bang potrebbe arrivare dai futuri osservatori come Euclid, il cui lancio è previsto per il 2022 ("Dark Matter from Scalar Field Fluctuations", Physical Review Letters - 2019)

Ultimo aggiornamento del: 08/08/2019 21:03:54

Una riga a 3.5 keV

Diverse galassie hanno evidenziato una riga particolare di assorbimento ad alta energia difficilmente spiegabile con processi noti. Una riga che potrebbe derivare da un comportamento previsto della materia oscura e sul quale si indaga fin dal 2014.

Nel 2014 la rielaborazione di dati di archivio di Chandra X-ray Observatory e XMM-Newton ha evidenziato uno spike di intensità ad una ben specifica energia (3.5 keV) nei dati di Chandra e XMM-Newton,  energia proveniente da gas caldo nell'ammasso galattico del Perseo. Si tratta di un picco impossibile da spiegare stando alle conoscenze attuali dell'oggetto astronomico, e per questo motivo già da allora venne chiamata in causa la materia oscura. Stessa eccedenza a 3.5 keV si è avuta in altri 73 ammassi galattici, secondo i dati di XMM-Newton

Ancora 3.5 keV sono stati registrati nella galassia  M31 da un team di lavoro diverso dal team dei primi risultati, a conferma dell'anomalia riscontrata. Nel 2016 l'osservatorio giapponese Hitomi fallì nel tentativo di osservare l'emissione nell'ammasso del Perseo ma questo, anziché bloccare il ramo di ricerca, lo ha intensificato. I risultati di Hitomi provengono da immagini molto più confuse di quelle di Chandra quindi i dati sono in realtà ciò che risulta da un mix di raggi X provenienti da due fonti e non da una sola: gas caldo diffuso e raggi X dal buco nero supermassiccio centrale. Il segnale è stato così compreso, isolato e normalizzato. Rielaborando i dati di Chandra del 2009, però, è stato osservato qualcosa di sorprendente: non un picco a 3.5 keV ma addirittura una lacuna, come se qualcosa nell'ammasso stesse assorbendo energia a quella ben precisa frequenza. Come spiegare un simile comportamento? Assorbimento di raggi X osservando il buco nero e emissione alla stessa energia osservando il gas caldo, per un totale che va in pareggio e spiega alla perfezione il "nulla di fatto" ottenuto da Hitomi. 

Una possibile spiegazione porta alla materia oscura: le particelle oscure potrebbero avere due stati energetici separati a 3.5 keV. Se questo fosse vero, allora potrebbe essere possibile osservare un assorbimento a 3.5 keV in angoli prossimi al buco nero e una riga di emissione a più largo campo.

Sulla base della riga di emissione nello spettro X (3.5 keV) osservata nel 2014 provenire da diversi oggetti distanti e potenzialmente legata a decadimento di particelle di materia oscura, un team della Mainz University ipotizza uno scenario dato dallo scontro e dalla conseguente annichilazione tra due particelle di materia oscura. Le particelle sarebbero fermioni con massa di pochi keV (neutrini sterili), ma una materia oscura così leggera faticherebbe a spiegare la formazione di oggetti enormi come le galassie, che secondo i modelli "tradizionali" di materia oscura nascono proprio in aloni di questa sfuggente materia. La via d'uscita esiste e consiste nella scomposizione dell'annichilazione in due fasi, passando attraverso uno stato intermedio che darà vita, in seguito, all'emissione X osservata nel 2014.

La riga di emissione a 3.5 keV che da anni fa pensare alla traccia lasciata dalla materia oscura è stata osservata anche da una sorgente galattica, il che - se confermato - potrebbe aiutare molto nella comprensione della materia oscura e del suo processo di decadimento. Secondo il modello Lambda Cold Dark Matter, ciascuna galassia è nata all'interno di un alone di materia oscura, grande per le galassie più grandi e ridotto per quelle nane. Sempre secondo questo modello, le galassie nane si dispongono intorno alle galassie maggiori in modo del tutto randomico e con moti altrettanto casuali. Soltanto in una occasione su mille, statisticamente, le galassie agiscono come satelliti ordinati sul piano galattico ma questa volta su mille sembra essere stata osservata su Centaurus A. Una su mille oppure crisi del modello Lambda Cold Dark Matter? In realtà i problemi nascono dal fatto che simili comportamenti sono stati evidenziati anche nei pressi della Via Lattea e di Andromeda, quindi siamo già a tre tra le galassie per le quali si hanno più informazioni, un campione che diventa molto elevato e che necessita di un approfondimento al fine di rivedere i modelli o, peggio ancora, le basi del Modello Standard.

Ultimo aggiornamento del: 28/04/2019 21:30:17