Il lato oscuro dell'Universo
Recentemente ho partecipato al Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica, in cui sono stati trattati moltissimi temi scientifici, ma ce n’è stato uno un po’ fuori da quello che è strettamente il mio ambito di studio che ha attirato la mia attenzione per le curiose teorie elaborate al fine di rispondere ad alcune domande.
L’argomento a cui mi riferisco è la materia oscura e la domanda principale per cui si cerca una risposta è: di cos’è fatto il 95% dell’Universo?
Ebbene sì, al momento la materia che conosciamo, quella che siamo in grado di studiare e osservare quotidianamente, costituisce soltanto il 5% dell’intero Universo. Il restante 95% secondo gli studi di cosmologia si divide tra materia oscura ed energia oscura.
Cerchiamo di capire perché e come i ricercatori sono arrivati ad ipotizzare l’esistenza di questa porzione oscura dell’Universo.
L’ipotesi che potesse esistere altra massa oltre a quella osservabile tramite strumenti più o meno sofisticati è nata dallo studio delle galassie. Un primo indizio è stato dato dalla velocità di rotazione delle stelle al loro interno. Le galassie possiedono una zona centrale molto massiccia e luminosa e intorno ad essa ruotano tutte le stelle appartenenti a tale galassia, così come ad una scala molto più piccola i pianeti del nostro Sistema Solare ruotano attorno al Sole. Per la legge di gravitazione universale è previsto che le stelle che si trovano nelle regioni più interne della galassia, quindi più vicine al centro massiccio, ruotino a velocità molto più elevate di quelle invece che sono posizionate in aree più lontane, ai bordi della galassia. Andando a misurare con strumenti appropriati le velocità di queste stelle, però, si sono trovati dei risultati molto diversi da quelli attesi: i corpi celesti più lontani risultavano molto più veloci del previsto e, in generale, l’andamento della velocità delle stelle non sembrava diminuire allontanandosi dal centro della galassia.
Un'altra anomalia era data dalle velocità questa volta non dei corpi all’interno delle galassie ma da quelle delle galassie stesse all’interno di un agglomerato, detto ammasso di galassie. Ancora una volta la legge di gravitazione universale ci permetterebbe, conoscendo la massa totale di tutte le galassie coinvolte nel sistema, di andare a calcolare la velocità di ognuna all’interno dell’ammasso. Dopo aver misurato anche in questo caso le effettive velocità, gli astrofisici hanno ottenuto dei valori molto più elevati di quelli attesi, corrispondenti ad agglomerati contenenti una quantità di massa molto maggiore rispetto a quella tenuta in considerazione per i calcoli.
Tutti questi indizi hanno acquisito maggiore forza con esperimenti successivi che hanno verificato alcune caratteristiche del nostro Universo per cui è stato possibile ottenerne la densità di massa totale, il cui valore però non è raggiungibile soltanto considerando la massa conosciuta, la stessa che i ricercatori avevano utilizzato per calcolare le velocità di stelle e galassie.
Nasce quindi la necessità di ipotizzare l’esistenza di un nuovo tipo di materia, che viene chiamata materia oscura perché non osservabile attraverso gli ordinari strumenti di misura e perché non se ne conosce la vera natura. Ancora oggi la materia oscura rimane un mistero, gli scienziati non sono riusciti a trovare di cosa sia fatta effettivamente, quali siano le particelle che la costituiscano e come si comportino. Ma è stata effettuata tutta una serie di ipotesi riguardo a ciò basandosi su quelle poche caratteristiche che si è certi questa materia debba avere in relazione ai risultati sperimentali ottenuti: sicuramente le particelle che la costituiscono devono avere una massa non trascurabile e devono interagire molto poco con la materia ordinaria, in quanto se ci fosse un’interazione significativa sarebbe possibile osservarne sperimentalmente le conseguenze in modo abbastanza facile e si potrebbero avere più informazioni a riguardo grazie agli esperimenti.
Da qui sono nate teorie come la supersimmetria, che prevede l’esistenza di un set di particelle fondamentali aggiuntivo rispetto a quello conosciuto e costituito da leptoni (elettroni e cugini) e quark, in cui le particelle cosiddette supersimmetriche avrebbero la stessa massa di quelle che formano la materia ordinaria ma alcuni numeri quantici opposti. Tra queste particelle, per rispettare alcune leggi di conservazione, dovrebbe esistere il neutralino, una sorta di neutrino massivo che potrebbe essere un buon candidato come particella di materia oscura. O ancora altri candidati potrebbero essere le WIMPs (weakly interacting massive particles), particelle sensibili quasi solo alla forza gravitazionale che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria, o gli assioni, sensibili ad intensi campi magnetici. Molte sono anche le ipotesi su nuove tipologie di interazione e di forze che non sono mai state osservate tra le particelle che costituiscono la materia ordinaria e che portano a pensare all’esistenza, ad esempio, del cosiddetto fotone oscuro.
In questi ultimi anni la ricerca si è quindi mossa per costruire nuovi esperimenti sempre più performanti che permettano di capire qualcosa di più a riguardo, di poter validare o meno le teorie elaborate finora per cercare di trovare una soluzione al problema e di sapere finalmente cos’è questa materia oscura e da cosa è composta la quasi totalità del nostro Universo. Molti di questi esperimenti si trovano in Italia, come DAMA, XENON, CRESST, SABRE, Dark Side e altri presso i Laboratori del Gran Sasso o PADME ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Per quanto riguarda l’energia oscura, invece, quello che si sa è che può essere spiegata come una sorta di energia intrinseca dello spazio vuoto e contribuirebbe all’espansione dell’universo; il suo studio coinvolge molti cosmologi ma rimane ancora qualcosa di molto poco chiaro.