La materia oscura è una misteriosa sostanza non luminosa che costituisce la grande maggioranza della materia nell’universo. Anche se gli esperti hanno osservato gli effetti gravitazionali della materia oscura per decenni, gli scienziati rimangono perplessi sulla sua vera natura.
Chi ha scoperto la materia oscura?
Nel tardo XIX secolo, gli astronomi hanno iniziato a speculare su materiale invisibile – sia stelle fioche che gas e polvere, sparsi nell’universo. I ricercatori avevano anche iniziato a stimare la sua massa, secondo una revisione del 2018 nella rivista Reviews of Modern Physics. La maggior parte pensava che questa misteriosa sostanza fosse una componente minore della massa totale del cosmo.
Non è stato fino al 1933 che l’astronomo svizzero-americano Fritz Zwicky ha notato che le galassie lontane giravano l’una intorno all’altra molto più velocemente di quanto dovrebbe essere possibile data la loro materia visibile vista nei telescopi. “Se questo fosse confermato, otterremmo il risultato sorprendente che la materia oscura è presente in quantità molto maggiore della materia luminosa”, scrisse in un articolo pubblicato sulla rivista Helvetica Physica Acta quell’anno.
Ma molti nel campo rimasero scettici sui risultati di Zwicky fino agli anni 70, quando gli astronomi Kent Ford e Vera Rubin fecero studi dettagliati sulle stelle nelle regioni esterne della vicina galassia di Andromeda. Queste stelle orbitavano intorno al nucleo galattico troppo velocemente, quasi come se un materiale invisibile le tirasse gravitazionalmente e le spingesse – un’osservazione che gli scienziati notarono presto nelle galassie di tutto l’universo.
I ricercatori non avevano idea di cosa consistesse questa massa invisibile, con alcuni astronomi che ipotizzavano che la materia oscura fosse costituita da piccoli buchi neri o altri oggetti compatti che emettevano troppa poca luce per mostrarsi ai telescopi. I risultati sono diventati ancora più strani negli anni ’90, quando un telescopio spaziale chiamato Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ha mostrato che questa materia oscura superava la materia visibile ordinaria di cinque a uno, secondo la NASA.
Perché la materia oscura rimane un mistero
I sondaggi dei telescopi non sono mai riusciti a trovare abbastanza piccoli oggetti compatti per spiegare questa enorme profusione di materiale. La maggior parte degli astronomi moderni pensa che la materia oscura consista probabilmente in particelle subatomiche con proprietà piuttosto diverse dai più familiari protoni e neutroni.
Il candidato in carica per la materia oscura è chiamato una particella massiva a interazione debole o WIMP. Queste entità speculative non si trovano nel Modello Standard della fisica delle particelle, che descrive quasi tutte le particelle e le forze. Le WIMP sarebbero più simili al neutrino fantasma, tranne che peserebbero da 10 a 100 volte di più di un protone. (Le masse esatte dei neutrini sono sconosciute, ma sono molto più leggere degli elettroni).
Come i neutrini, le WIMP interagirebbero solo con due delle quattro forze fondamentali dell’universo: La gravità e la forza debole nucleare, che media il decadimento dei nuclei atomici radioattivi. Queste particelle di materia oscura sarebbero elettricamente neutre, il che significa che non interagirebbero con l’elettromagnetismo, la base della luce, e quindi rimarrebbero invisibili.
I fisici hanno costruito enormi rivelatori e li hanno collocati in profondità sottoterra per proteggerli dai raggi cosmici interferenti nel tentativo di rilevare le WIMP, ma finora nessun esperimento ha scoperto prove per loro. Negli ultimi anni, questo fallimento ha portato alcuni nel campo per iniziare a chiedersi se hanno diretto su un inseguimento di particelle selvaggio senza fine reale.
Alcuni scienziati stanno quindi rivolgendo la loro attenzione a un nuovo candidato della materia oscura chiamato axion, che sarebbe un milionesimo o addirittura un miliardesimo della massa di un elettrone, come riportato negli Atti della National Academy of Science. Queste particelle ipotetiche sono particolarmente attraenti per i ricercatori perché potrebbero anche risolvere un altro problema in sospeso in fisica, interagendo potenzialmente con i neutroni per spiegare perché possono sentire i campi magnetici ma non quelli elettrici.
Nel giugno 2020, i membri dell’esperimento XENON1T con sede presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia, un rivelatore originariamente costruito per cercare di catturare le WIMP, hanno annunciato di aver trovato un piccolo ma inaspettato segnale che potrebbe essere spiegato dalla presenza di axioni. I risultati hanno scioccato la comunità scientifica, ma devono ancora essere confermati da altri esperimenti.
La materia oscura esiste?
Questo significa che i ricercatori si stanno ancora grattando la testa su cosa sia la materia oscura. Alcuni teorici si sono chiesti se esista un intero settore oscuro dell’universo, con molteplici particelle e persino forze oscure che influenzano solo la materia oscura, simile alla complessità subatomica vista nel cosmo visibile.
Al tempo stesso, una minoranza di scienziati crede che la materia oscura sia un miraggio. Sottoscrivono un’idea conosciuta come versione modificata dell’inerzia, o MOND, che ipotizza che su larga scala, la gravità agisce in modo diverso dal previsto e questo spiega le rotazioni osservate di stelle e galassie. Ma la maggior parte degli esperti non sono convinti della necessità di prendere una partenza così radicale dalla fisica conosciuta, che richiederebbe anche modifiche alla nostra comprensione di grandi parti della realtà.
La materia oscura non è, a conoscenza di nessuno, collegata all’energia oscura, un altro misterioso fenomeno responsabile dell’accelerazione dell’espansione del cosmo. I due condividono semplicemente la parola “oscuro”, che è spesso usata come un segnaposto dagli scienziati per cose che non capiscono del tutto.