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livello medio
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ARGOMENTO: ASTRONOMIA E ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Dark Matter, materia oscura, teorie
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Quando si parla di materia oscura (Dark Matter) ci si avventura in un cammino complesso, altrettanto oscuro, dove esistono differenti teorie, spesso altrettanto misteriose: dall’esistenza di un regno fisico invisibile ai nostri sensori, con i propri tipi di particelle e forze, che avrebbe dato origine a piccoli e stabili oggetti simili a buchi neri, a quella che affermerebbe che la materia oscura sia un prodotto dell’espansione stessa dell’universo, creata dalla radiazione quantistica vicino all’orizzonte cosmologico durante la breve ma intensa fase post-inflazione. Entrambe queste teorie offrono quadri di riferimento testabili e autosufficienti basati sulla fisica conosciuta, capaci di collegare la teoria delle particelle ai fenomeni su scala cosmica; naturalmente ciò non esclude che l’esistenza della materia oscura possa essere una combinazione di queste teorie … oppure che non abbiamo ancora compreso che cosa sia.
Le osservazioni hanno suggerito una componente cosmica invisibile: le galassie ruotano più velocemente di quanto la loro massa visibile consenta, gli ammassi di galassie deformano la luce oltre ogni previsione, e la struttura dell’universo primordiale si adatta solo se la maggior parte della materia è invisibile. – photo credit NASA, ESA, il team GOODS e M. Giavalisco (STScI))
La maggior parte degli esperimenti per verificare l’esistenza della materia oscura si basa sulla possibilità che essa interagisca occasionalmente con la materia visibile. Sono stati costruiti rivelatori che, posti sotto la superficie terrestre in profondità, vengono raffreddati a temperature molto basse e monitorati per scoprire eventuali interazioni con altre particelle.
Recentemente, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è stato inaugurato un nuovo strumento per dare la caccia alla materia oscura, XENON1T, realizzato da una collaborazione internazionale di 21 gruppi di ricerca, provenienti da Italia, USA, Germania, Svizzera, Portogallo, Francia, Paesi Bassi, Israele, Svezia e Abu Dhabi. Il gruppo italiano che partecipa all’esperimento XENON1T è costituito da ricercatori dei Laboratori del Gran Sasso, del INFN e delle Università di Bologna e Torino. Allo stato attuale lo XENON 1T è il rivelatore più sensibile al mondo per la ricerca diretta di materia oscura
Altri campi di ricerca includono la ricerca di segnali insoliti con antenne molto sensibili ed il monitoraggio negli acceleratori delle collisioni di particelle ad altissima energia, come il Large Hadron Collider, il più grande e ad energia più alta acceleratore di particelle al mondo, costruito dall’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (CERN) tra il 1998 e il 2008, in collaborazione con oltre 10.000 scienziati e centinaia di università e laboratori in più di 100 paesi. Si trova in un tunnel di 27 chilometri di circonferenza e profondo fino a 175 metri sotto il confine tra Francia e Svizzera vicino a Ginevra. Un collider (LHC) è un tipo di acceleratore di particelle che unisce due fasci di particelle opposti in modo che le particelle si possano scontrare e permette ai fisici di testare le previsioni di diverse teorie della fisica delle particelle, inclusa la misurazione delle proprietà del bosone di Higgs e la ricerca della grande famiglia di nuove particelle previste dalle teorie super-simmetriche e lo studio di altre questioni irrisolte nella fisica delle particelle.
Grandi magneti quadrupoli del Collider di Adroni per dirigere i fasci di protoni verso l’interazione. Questi elettromagneti quadrupoli superconduttori furono realizzati in Fermilab. LHC – 2 LHC quadrupole magnets.jpg – Wikimedia Commons
Quali sono le ipotesi?
Un’ipotesi è che nei primi istanti caotici dopo il Big Bang, le increspature nello spazio/tempo avrebbero potuto contribuire a creare la materia oscura come sembra essere confermato dalla scoperta di deboli onde gravitazionali primordiali che potrebbero essersi trasformate in particelle per poi divenire la sostanza invisibile che modella le galassie di oggi. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo prodotte da eventi particolarmente energetici dell’universo, come le collisioni tra buchi neri o stelle di neutroni. Tuttavia, è stato osservato che non sempre le onde gravitazionali derivano da eventi così potenti in quanto esistono una serie di processi che non coinvolgono oggetti massicci e danno origine ad onde gravitazionali stocastiche. Queste onde sono molto più deboli e fanno parte del segnale di fondo che riempie l’universo, risalendo alle fasi più antiche dopo il Big Bang per cui potrebbero essere state generate durante momenti chiave della storia cosmica, incluse le transizioni di fase durante il raffreddamento dell’universo. Queste onde gravitazionali primordiali avrebbero potuto produrre fermioni che avrebbero acquisito nel tempo massa e si sarebbero potuti evolvere in particelle di materia oscura.
immagine del LHC, notare le dimensioni
Simulazione animata di un buco nero che attraversa davanti a una galassia lontana, mostrando la lente gravitazionale mentre passa. Fonte BlackHole_Lensing_2.gif Autore Urbane Legend Web.gif lenti a buchi neri – Wikimedia Commons
Per ora quello che possiamo vedere è soltanto l’effetto gravitazionale che la materia oscura ha sulle galassie e sulla loro distribuzione nell’Universo, di fatto influenzando l’evoluzione dell’Universo, la formazione e la crescita delle galassie ed il modo in cui si raggruppano per formare l’architettura dell’Universo: la rete cosmica o gravitazionale. Nell’immagine a sinistra una simulazione di una lente gravitazionale, in cui una distribuzione di materia, come una galassia o un buco nero, in grado di curvare la traiettoria della luce in transito, in modo analogo a una lente ottica. Le lenti gravitazionali sono previste dalla teoria della relatività generale, secondo la quale la traiettoria di una radiazione elettromagnetica è determinata dalla curvatura dello spazio-tempo prodotta dai corpi celesti. In estrema sintesi, l’effetto di una lente gravitazionale è la deformazione apparente dell’immagine dei corpi celesti. Può accadere che la deviazione dei raggi faccia apparire la loro sorgente spostata rispetto alla sua posizione reale. Per gli stessi motivi, possono verificarsi distorsioni più o meno nette dell’immagine della sorgente per effetto di una lente gravitazionale, come l’anello di Einstein.
In sintesi, l’esistenza della Materia Oscura è ancora un mistero ma è un’ipotesi necessaria per spiegare perché le galassie non si disgreghino e come si muovono le stelle al loro interno. In parole semplici la possiamo immaginare come una “colla gravitazionale” che sostiene la struttura di tutto il cosmo. Si continua così a cercare ed a fare ipotesi, brancolando nella “oscurità” di un Universo pieno di gravità. Tornerò presto per parlarvi con maggiori dettagli sulle ipotesi in corso.
Vincenzo Popio
in anteprima distribuzione della temperatura della radiazione cosmica di fondo a micro onde nell’universo – NASA
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.