Come è fatta la materia oscura

materia oscura costituisce oltre l'80% di tutta la materia dell'universo, eppure non è mai stata vista dagli scienziati.

La sua esistenza è dedotta perché, senza di essa, il comportamento di stelle, pianeti e galassie sarebbe inspiegabile. 

Ecco cosa sappiamo su di essa – o meglio, cosa pensiamo di sapere.

Se la  materia oscura è "invisibile", Come facciamo a sapere che esiste?

Che cos'è la materia oscura e perché è invisibile?

La materia oscura è completamente invisibile e non emette luce o energia, il che la rende non rilevabile dai sensori e dai rilevatori convenzionali. Gli scienziati ritengono che la chiave della sua natura sfuggente risieda nella sua composizione.

La materia visibile, chiamata anche materia barionica, è costituita da barioni, un nome generico per particelle subatomiche come protoni, neutroni ed elettroni. Gli scienziati si limitano a speculare su cosa sia fatta la materia oscura di. Potrebbe essere composto da barioni, ma potrebbe anche essere non barionico, il che significa costituito da diversi tipi di particelle. 

La maggior parte degli scienziati pensa che la materia oscura sia costituita da materia non barionica. I principali candidati sono le WIMP (particelle massicce debolmente interagenti), che si pensa siano da dieci a cento volte la massa di un protone. Tuttavia, le loro deboli interazioni con la materia "normale" li rendono difficili da rilevare. Tra questi, i neutralini – particelle ipotetiche che sono più pesanti e più lente dei neutrini – sono i migliori candidati, anche se non sono ancora stati osservati.

I neutrini sterili sono un altro candidato. I neutrini sono particelle che non costituiscono la materia regolare. Un fiume di neutrini fluisce dal sole , ma poiché raramente interagiscono con la materia normale, passano attraverso la Terra e i suoi abitanti. 

Ci sono tre tipi noti di neutrini; a In quarto luogo, il neutrino sterile, viene proposto come candidato per la materia oscura. Il neutrino sterile interagirebbe con la materia normale solo attraverso la gravità .

"Una delle domande in sospeso è se esiste un modello per le frazioni che entrano in ogni specie di neutrino", ha detto a Space.com Tyce DeYoung, professore associato di fisica e astronomia presso la Michigan State University e collaboratore dell'osservatorio di neutrini IceCube in Antartide.

L'assione neutro più piccolo e i fotini non carichi – entrambe particelle teoriche – sono anche potenziali segnaposto per la materia oscura.

Esiste anche una cosa come l'antimateria , che non è la stessa cosa della materia oscura. L'antimateria è costituita da particelle che sono essenzialmente le stesse particelle di materia visibile ma con cariche elettriche opposte. Queste particelle sono chiamate antiprotoni e positroni (o antielettroni). Quando le antiparticelle si incontrano particelle, ne consegue un'esplosione che porta i due tipi di materia ad annullarsi a vicenda. Poiché viviamo in un universo fatto di materia, è ovvio che non c'è molta antimateria in giro, altrimenti non rimarrebbe nulla. A differenza della materia oscura, i fisici possono effettivamente produrre antimateria nei loro laboratori.

Abbiamo

chiesto a Glenn Starkman, illustre professore universitario e co-presidente di fisica e professore di astronomia presso la Case Western Reserve University, alcune domande frequenti sulla gravità. 

Esiste la materia oscura?

Vorrei saperlo! Quello che sappiamo è che se guardiamo una galassia tipica, prendiamo in considerazione tutta la materia che vediamo (stelle, gas, polvere) e usiamo le Leggi di Gravità e del Moto di Newton (o, più correttamente, la Relatività Generale di Einstein), per cercare di descrivere i moti di quel materiale, allora otteniamo la risposta sbagliata. Gli oggetti nelle galassie (quasi tutte) si muovono troppo velocemente. Non dovrebbe esserci abbastanza gravità per impedirgli di volare fuori dalla galassia in cui si trovano. La stessa cosa vale per le galassie che si muovono in ammassi.

Ci sono due possibili spiegazioni:

1. C'è più roba (materia) che non vediamo con i nostri telescopi. La chiamiamo materia oscura.

numero arabo. Le leggi di Newton e persino la RG sono sbagliate sulla scala delle galassie e di tutto ciò che è più grande. Questa idea è solitamente chiamata gravità modificata (perché abbiamo bisogno di modificare la GR) o Dinamica Newtoniana Modificata (MOND).

Per lo più, i cosmologi credono che la risposta sia che il comportamento delle galassie è spiegato dalla materia oscura. Perché? In parte. perché è stato molto difficile scrivere una teoria di successo della MOND o della gravità modificata. E in parte perché si è scoperto che quando abbiamo girato i nostri telescopi a microonde per osservare la radiazione cosmica di fondo (CMB), la luce dell'universo primordiale, si è scoperto che, secondo la RG, la stessa quantità e tipo di materia oscura era necessaria anche per spiegare il comportamento delle onde sonore che viaggiavano nell'universo quando aveva meno di 500.000 anni. e di cui siamo in grado di vedere le impronte. La gravità modificata fatica a fornire una spiegazione unificata in tutti questi sistemi: galassie, ammassi di galassie, l'universo.

Ma non sappiamo ancora di cosa sia fatta la materia oscura.

La materia oscura ha massa?

Se la materia oscura esiste, deve avere massa. La materia oscura senza massa non si comporterebbe in modo da risolvere i problemi affrontati dalla materia oscura. 

Cosa fa la materia oscura?

Le due cose che sappiamo per certo sulla materia oscura (ammesso che esista), è che esercita la gravità (ha massa) e che si muove lentamente (rispetto alla velocità della luce).  

Come si cerca la materia oscura?

Dal momento che non sappiamo cosa sia la materia oscura, la risposta è: per ogni possibile candidato per la materia oscura c'è una strategia diversa per cercarla. Le persone costruiscono rivelatori giganti in profondità nel sottosuolo (per allontanarsi da tutte le altre particelle che fluiscono attraverso l'ambiente che ci circonda) e cercano segnali della materia oscura che colpisce il loro rivelatore dopo aver attraversato la Terra sopra la nostra testa.

Mi capita di essere alla ricerca di una forma di materia oscura che sia piuttosto massiccia, tra circa 100 g e molte tonnellate — e avrebbe effetti più facilmente visibili. Ma poiché è enorme, è molto raro. (Sappiamo quanta massa totale di materia oscura dovrebbe esserci, quindi se le singole particelle di materia oscura sono pesanti, ce ne sono meno.) Ad esempio, se colpiva una roccia, scioglieva la roccia lungo il suo percorso mentre sfrecciava attraverso la roccia. Possiamo cercare le cicatrici di quei passaggi, ad esempio, nei piani di lavoro in granito.

Perché pensiamo che esista la materia oscura?

Ma se non possiamo vedere la materia oscura, come facciamo a sapere che esiste? La risposta è la gravità, la forza esercitata dagli oggetti fatti di materia che è proporzionale alla loro massa. Dagli anni '20, gli astronomi hanno ipotizzato che l'universo debba contenere più materia di quanta ne possiamo vedere perché le forze gravitazionali che sembrano essere in gioco nell'universo appaiono semplicemente più forti di quanto la sola materia visibile possa spiegare.

"I movimenti delle stelle ti dicono come c'è molta materia", ha detto in una dichiarazione Pieter van Dokkum, ricercatore dell'Università di Yale. "A loro non importa che forma sia la questione, ti dicono solo che è lì".  

Gli astronomi che hanno esaminato le galassie a spirale negli anni '70 si aspettavano di vedere il materiale al centro muoversi più velocemente che ai bordi esterni. Invece, hanno scoperto che le stelle in entrambe le posizioni viaggiavano alla stessa velocità, indicando che le galassie contenevano più massa di quella che si poteva vedere. 

Gli studi sul gas all'interno delle galassie ellittiche hanno anche indicato la necessità di più massa di quella trovata negli oggetti visibili. Gli ammassi di galassie volerebbero via se l'unica massa che contengono fosse quella visibile alle misurazioni astronomiche convenzionali.

Galassie diverse sembrano contenere quantità diverse di materia oscura. Nel 2016, un team guidato da Van Dokkum ha trovato una galassia chiamata Dragonfly 44 , che sembra essere composta quasi interamente di materia oscura. D'altra parte, dal 2018 gli astronomi hanno trovato diverse galassie che sembrano prive del tutto di materia oscura. 

La forza di gravità non influenza solo le orbite delle stelle nelle galassie, ma anche la traiettoria della luce. Il famoso fisico Albert Einstein dimostrò all'inizio del XX secolo che gli oggetti massicci nell'universo si piegano e distorcono la luce a causa della forza della loro gravità. Il fenomeno è chiamato lente gravitazionale . Studiando come la luce viene distorta dagli ammassi di galassie, gli astronomi sono stati in grado di creare una mappa della materia oscura nell'universo.

La stragrande maggioranza della comunità astronomica oggi accetta che la materia oscura esista. 

"Diverse misurazioni astronomiche hanno corroborato l'esistenza della materia oscura, portando a uno sforzo mondiale per osservare direttamente le interazioni delle particelle di materia oscura con la materia ordinaria in condizioni estremamente sensibili. rivelatori, che confermerebbero la sua esistenza e farebbero luce sulle sue proprietà", ha dichiarato il Gran Sasso National Laboratory in Italy (LNGS) in un comunicato . "Tuttavia, queste interazioni sono così deboli che sono sfuggite al rilevamento diretto fino a questo punto, costringendo gli scienziati a costruire rivelatori sempre più sensibili".

Nonostante tutte le prove che indicano l'esistenza della materia oscura, c'è anche la possibilità che una cosa del genere non esista e che le leggi della gravità che descrivono il movimento degli oggetti all'interno del sistema solare richiedano una revisione.

Da dove viene la materia oscura?

La materia oscura sembra essere distribuita in tutto il cosmo in uno schema simile a una rete, con ammassi di galassie che si formano ai nodi dove le fibre si intersecano. Verificando che la gravità agisce allo stesso modo sia all'interno che all'esterno del nostro sistema solare, i ricercatori forniscono ulteriori prove dell'esistenza della materia oscura. (Le cose sono ancora più complicate in quanto oltre alla materia oscura sembra esserci anche l'energia oscura , una forza invisibile responsabile dell'espansione dell'universo che agisce contro la gravità.)

Ma da dove viene la materia oscura? La risposta ovvia è che non lo sappiamo. Ma ci sono alcune teorie. Uno studio pubblicato nel dicembre 2021 su The Astrophysical Journal sostiene che la materia oscura potrebbe essere concentrata nei buchi neri , le potenti porte del nulla che a causa dell'estrema forza della loro gravità divorano tutto ciò che si trovano nelle loro vicinanze. In quanto tale, la materia oscura sarebbe stata creata nel Big Bang insieme a tutti gli altri elementi costitutivi dell'universo come lo vediamo oggi. 

Si pensa che anche i resti stellari come le nane bianche e le stelle di neutroni contengano elevate quantità di materia oscura, e così anche la cosiddetta materia oscura. nane , stelle fallite che non hanno accumulato abbastanza materiale per avviare la fusione nucleare nei loro nuclei. 

Come studiano gli scienziati la materia oscura?

Dal momento che non possiamo vedere la materia oscura, come possiamo studiarla? Ci sono due approcci principali. Gli astronomi analizzano la sua distribuzione osservando il raggruppamento di materiale e il movimento degli oggetti nell'universo. Nel frattempo, i fisici delle particelle mirano a rilevare le particelle fondamentali che compongono la materia oscura.

Un esperimento montato sulla Stazione Spaziale Internazionale chiamato Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) rileva l'antimateria nei raggi cosmici. Dal 2011, è stato colpito da oltre 100 miliardi di raggi cosmici, fornendo affascinanti intuizioni sulla composizione delle particelle che attraversano l'universo. 

"Abbiamo misurato un eccesso di positroni [la controparte antimateria di un elettrone], e questo eccesso può provenire dalla materia oscura", Samuel Ting, capo dell'AMS scienziato e premio Nobel del Massachusetts Institute of Technology, ha detto a Space.com. "Ma in questo momento, abbiamo ancora bisogno di più dati per assicurarci che provengano dalla materia oscura e non da strane fonti astrofisiche. Ciò richiederà che duriamo ancora qualche anno".

Tornando sulla Terra, sotto una montagna in Italia, il XENON1T dei LNGS è a caccia di segni di interazioni dopo che le WIMP si scontrano con atomi di xeno. 

"Una nuova fase nella corsa per rilevare la materia oscura con rivelatori massicci di fondo ultra-basso sulla Terra è appena iniziata con XENON1T", ha detto in una dichiarazione la portavoce del progetto Elena Aprile, professoressa alla Columbia University. "Siamo orgogliosi di essere in prima linea nella gara con questo straordinario rivelatore, il primo del suo genere".

Anche il Large Underground Xenon dark-matter experiment (LUX), situato in una miniera d'oro nel South Dakota, è andato a caccia di segni di WIMP e xenon Interazioni. Ma finora, lo strumento non ha rivelato la misteriosa questione.

"Anche se un segnale positivo sarebbe stato il benvenuto, la natura non è stata così gentile!" Cham Ghag, fisico dell'University College di Londra e collaboratore di LUX, ha dichiarato in una dichiarazione. "Tuttavia, un risultato nullo è significativo in quanto cambia il panorama del campo limitando i modelli per ciò che la materia oscura potrebbe essere al di là di qualsiasi cosa esistesse in precedenza".

L'IceCube Neutrino Observatory, un esperimento sepolto sotto la superficie ghiacciata dell'Antartide, è a caccia di ipotetici neutrini sterili. I neutrini sterili interagiscono con la materia normale solo attraverso la gravità, il che la rende un forte candidato per la materia oscura.

Gli esperimenti volti a rilevare particelle sfuggenti di materia oscura sono condotti anche nei potenti collisori di particelle dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) in Svizzera.

in orbita attorno alla Terra sono a caccia degli effetti della materia oscura. La sonda Planck dell'Agenzia Spaziale Europea, ritirata nel 2013, ha trascorso quattro anni nel Punto Lagrangiano 2 (un punto nell'orbita attorno al sole, dove un veicolo spaziale mantiene una posizione stabile rispetto alla Terra), mappando la distribuzione della radiazione cosmica di fondo, una reliquia del Big Bang, nell'universo. Nel  

2014, il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha realizzato mappe del cuore della nostra galassia, la Via Lattea , in luce gamma, rivelando un eccesso di emissioni di raggi gamma che si estendono dal suo nucleo.

"Il segnale che abbiamo trovato non può essere spiegato dalle alternative attualmente proposte ed è in stretto accordo con le previsioni di una materia oscura molto semplice modelli", l'autore principale Dan Hooper, un astrofisico al Fermilab in Illinois, ha detto Space.com.

L'eccesso può essere spiegato da annichilazioni di particelle di materia oscura con una massa compresa tra 31 e 40 miliardi di elettronvolt, hanno detto i ricercatori. Il risultato da solo non è sufficiente per essere considerato una pistola fumante per la materia oscura. Per convalidare l'interpretazione sarebbero necessari ulteriori dati provenienti da altri progetti di osservazione o esperimenti di rilevamento diretto.

Anche il telescopio spaziale James Webb , lanciato dopo 30 anni di sviluppo il 25 dicembre 2021, dovrebbe contribuire alla caccia alla sostanza sfuggente. Con i suoi occhi a infrarossi in grado di vedere fino all'inizio dei tempi, il telescopio del secolo non sarà in grado di vedere direttamente la materia oscura, ma attraverso l'osservazione dell'evoluzione delle galassie sin dalle prime fasi dell'universo, ci si aspetta che fornisca intuizioni che non sono state possibili prima.  

La missione Euclid dell'ESA è stata lanciata il 1° luglio 2023 ed è Attualmente a caccia di materia oscura ed energia oscura. La missione mira a mappare la geometria della materia nell'universo, in particolare la distribuzione delle galassie, per saperne di più sull'elusiva materia oscura. 

Ulteriori risorse

Per saperne di più sulla materia oscura, visitate il sito web del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) degli Stati Uniti, che esegue esperimenti ad alta energia in collisori di particelle all'avanguardia con l'obiettivo di scoprire particelle che colmerebbero le lacune nella nostra comprensione dell'universo. Anche l'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (CERN ), il più grande laboratorio di fisica delle particelle del mondo, è alla ricerca delle particelle di materia oscura mancanti. La NASA discute la differenza tra materia oscura ed energia oscura in questo articolo .

Bibliografia

NASA, Energia Oscura, Materia Oscura, https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy

Clegg, B. Materia oscura ed energia oscura: il 95% nascosto dell'universo, Icon Books, agosto 2019

CERN, Materia oscura https://home.cern/science/physics/dark-matter

Unisciti ai nostri forum spaziali per continuare a parlare di spazio sulle ultime missioni, sul cielo notturno e altro ancora! E se avete un suggerimento, una correzione o un commento, fatecelo sapere a: [email protected].

Ultime notizie sullo spazio, gli ultimi aggiornamenti sui lanci di razzi, eventi di skywatching e altro ancora!

Nola Taylor Tillman è una scrittrice che collabora con Space.com. Ama tutto ciò che riguarda lo spazio e l'astronomia e le piace avere l'opportunità di saperne di più. Ha conseguito una laurea in inglese e astrofisica presso l'Agnes Scott College e ha lavorato come stagista presso la rivista Sky & Telescope. Nel tempo libero, istruisce i suoi quattro figli a casa. Seguitela su Twitter all'indirizzo @NolaTRedd