.
livello medio
.
ARGOMENTO: ASTRONOMIA E ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: materia oscura
.
La natura della materia oscura rimane uno dei misteri che coinvolge la cosmologia moderna e la fisica delle particelle. Dall’analisi delle galassie, negli ultimi anni, l’attenzione si è spostata con attenzione sulla possibilità di settori scuri governati da teorie di gauge analoghe alla cromodinamica quantistica (QCD) nel Modello Standard.
Troppo complicato .. per cui per il momento facciamo un passo indietro, senza avventurarci nei dettagli di un campo estremamente complesso. L’ipotesi preferita dalla maggior parte degli scienziati è che l’universo contenga materia oscura non visibile, che fornisca la gravità mancante. Un’altra ipotesi è che la teoria della gravità sia errata e dovrebbe essere sostituita da una Dinamica Newtoniana Modificata (MOND). Questa teoria propone una modifica della dinamica newtoniana (specificamente la legge di gravitazione universale per spiegare il problema delle curve di rotazione delle galassie a spirale ma non può eliminare completamente la necessità di materia oscura in tutti i sistemi astrofisici: i cluster di galassie mostrano infatti una discrepanza di massa residua anche se analizzati usando la teoria MOND, togliendo così una certa eleganza alla teoria.
equazione della forza gravitazionale
Sebbene le due ipotesi siano ancora allo studio, analizzando le misurazioni sempre più disponibili degli ammassi, la presenza della materia oscura appare inevitabile. In particolare si ritiene che possieda una forza accentratrice e gravitazionale, attirando a sé altra materia ed energia, come la normale materia. Se la materia oscura è fatta di particelle, permane però il problema di identificarle.
Vediamo come vengono ricercate
L’osservazione diretta di materia oscura si basa sulla considerazione per cui il Sistema Solare, e con esso la Terra, ruotando intorno al centro della Galassia intercetta continuamente particelle dell’alone oscuro. Per catturare alcune di queste particelle vengono costruiti degli strumenti, posti generalmente in laboratori sotterranei, come quello del Gran Sasso, per minimizzare il rumore ambientale che renderebbe la rivelazione più difficile. L’osservazione indiretta consiste nel ricercare segnali astrofisici riconducibili ad interazioni tra particelle di materia oscura tra di loro o con particelle di materia ordinaria. Ad esempio, fotoni di energia ben definita, che, se localizzati nello spazio, potrebbero indicare particolari addensamenti di materia oscura. Generalmente queste ricerche vengono effettuate da apparati posti su satelliti lanciati in orbita extra-atmosferica, che hanno maggiori capacità direzionali rispetto agli apparati terrestri. In pratica, siamo in grado di “vedere” la materia oscura solo per i suoi effetti sugli oggetti all’interno dell’universo.
Come ho accennato in precedenti articoli, ci sono tre modi indipendenti con cui si ricercano prove dell’esistenza della dark matter:
– la ricerca di una gravità extra per tenere insieme stelle e galassie;
– la misurazione di come viene piegata la luce dalla gravità, un effetto noto come lente gravitazionale che distorce, ingrandendo o sdoppiando l’immagine delle galassie situate dietro un ammasso di materia (visibile e oscura).
– l’osservazione del fondo cosmico a microonde, attraverso la mappatura delle piccole fluttuazioni di questa luce dalle quali si può comprendere la presenza della materia oscura nell’universo.
E se la materia oscura fosse composta da particelle chiamate WIMPs, (Weakly Interacting Massive Particles)?
Come ho accennato, se la nostra galassia fosse composta solo da materia visibile, le stelle alla sua periferia la abbandonerebbero in breve tempo, dato che le loro velocità orbitali sono quattro volte più grandi della velocità di fuga dalla galassia. Dato che non si osservano galassie che si stiano disperdendo in questo modo, al loro interno deve trovarsi della massa non visibile che giustificherebbe l’esistenza della materia oscura.
Nel nostro sistema solare, la Terra si muove alla velocità di circa 30 km/s attorno al Sole, che a sua volta si muove verso la costellazione del Cigno all’interno di un “alone” di materia oscura. In estate, le due velocità si sommano creando un “vento” di WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), di particelle di grande massa debolmente interagenti, più forte a maggio/giugno che si riduce in inverno quando le due velocità si sottraggono. Secondo gli scienziati questo dovrebbe indurre una modulazione annuale del flusso di materia oscura, con un picco intorno maggio/giugno ed una riduzione massima intorno novembre/dicembre. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) è attivamente impegnato da tempo nell’investigazione delle particelle costituenti la Materia Oscura dell’Universo ed esistono diversi progetti, DAMA 1, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che stanno esplorando la presenza di particelle WIMP nell’alone galattico mediante lo studio della loro modulazione annuale.
Seconda la teoria della supersimmetria (SUSY, SUperSYmmetry), i WIMP avrebbero circa 100 volte la massa dei protoni. e interagirebbero solo occasionalmente con altre particelle. Questa teoria fisica estende il Modello Standard, ipotizzando che ogni particella nota abbia una super-partner gemella con spin diverso, proponendo una simmetria tra fermioni (materia) e bosoni (forze), e quindi raddoppiando le particelle elementari cosa che giustificherebbe la materia oscura e la stabilità delle masse.
La difficoltà è che l’unico modo in cui la materia oscura sembrerebbe interagire con noi è la gravità, in realtà una forza molto debole rispetto alle altre tre forze principali dell’universo, cosa che consente di poterla apprezzare su larga scala, come negli ammassi di galassie. La materia oscura potrebbe però anche esistere come particelle molto leggere, note come assioni, prodotti in grande quantità nei primi istanti dopo il Big Bang, dell’ordine di un miliardo di miliardi di volte (1018) più “leggeri” di un elettrone. Semplificando, nell’universo potrebbero esserci anche atomi e fotoni oscuri.
Una rappresentazione artistica della teoria del professor Stefano Profumo, in cui effetti quantistici all’orizzonte cosmico in rapida espansione dopo il Big Bang danno origine a particelle di materia oscura attraverso la gravità – Autore Stefano Profumo – Università California
Un’altra teoria è che gli effetti della materia oscura potrebbero essere causati da buchi neri primordiali che vagano nell’universo dopo il Big Bang. Sono stati rilevati risultati sorprendenti sui buchi neri con uno strumento chiamato LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), un osservatorio statunitense progettato per rilevare le onde gravitazionali di origine cosmica. Per oggi mi fermo ma continuerò nel prossimo articolo questo viaggio nella materia oscura. A tal riguardo è stato pubblicato a marzo del 2026, un nuovo catalogo che raddoppia il numero di rilevamenti di onde gravitazionali effettuati dagli osservatori LIGO, Virgo e KAGRA, che comprende le ultime oscillazioni spazio-temporali registrate che includono una varietà di buchi neri pesanti, rotanti velocemente e sbilanciati che si collidono. Fantastico, e la ricerca continua.
Vincenzo Popio
.
Note
1 DAMA è un osservatorio per processi rari che sviluppa e utilizza scintillatori a bassa radioattività che si trova in profondità nel sottosuolo del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN. L’obiettivo principale del progetto è lo studio delle particelle di materia oscura nell’alone galattico. Inizialmente con il prototipo DAMA/NaI e successivamente con il setup DAMA/LIBRA nelle configurazioni di fase 1 e fase 2
.
PAGINA PRINCIPALE - HOME PAGE
.
Alcune delle immagini possono essere state prese dal web, citandone ove possibile gli autori e/o le fonti. Se qualcuno desiderasse specificarne l’autore e le fonti o rimuoverle, può scrivere a infoocean4future@gmail.com e provvederemo immediatamente alla correzione dell’articolo
.
- autore
- ultimi articoli
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.