La materia oscura e l’energia oscura: le nuove frontiere

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di Chiara Morelli

La materia oscura e l’energia oscura rappresentano il 96% circa del nostro universo, il restante 4% è materia ordinaria, eppure non conosciamo praticamente nulla di queste componenti così enigmatiche ma che così tanti effetti producono anche sulla materia visibile.

Cos’è la materia e l’energia oscura

È una materia presente nell’universo che non emette alcuna radiazione e per questo non è possibile attualmente “vederla” ma solo teorizzarla per gli effetti che produce e che indicano la sua presenza. Secondo i modelli cosmologici, il 26% dell’universo è formato da materia oscura mentre il 70% è costituito dall’energia oscura (dark energy).
Se la materia oscura con i suoi effetti gravitazionali che tendono a far restringere il cosmo, spiega il moto delle galassie, l’energia oscura tende spiega l’attuale espansione accelerata dell’Universo.

Come si è teorizzata la materia e l’energia oscura

Dall’osservazione delle stelle e degli altri oggetti celesti, è chiaro che l’Universo ha molta più massa di quella visibile. Ogni galassia è costituita da un nucleo galattico molto più luminoso e massiccio attorno al quale ruotano altre stelle distribuite con una minor concentrazione mano mano che ci si allontana da questo centro. Se applichiamo a questo modello la legge di gravitazione universale di Newton, la velocità delle stelle che si trovano nella parte più esterna della galassia decresce con l’aumentare della distanza dal nucleo. Ebbene, dall’osservazione delle stelle si è visto che quelle lontane dal nucleo hanno velocità di molto maggiore rispetto a quella attesa che non diminuisce con la distanza. In altre parole le stelle più esterne viaggiano più velocemente di quanto dovrebbero.
Questa anomalia può essere spiegata solo teorizzando che ci sia una materia invisibile – quindi oscura – e non concentrata in un nucleo ma abbondante nell’universo, con un’attrazione gravitazionale capace di produrre questa velocità nelle stelle. Stesse considerazioni applicando questi concetti invece che a una singola stella, a una galassia: le osservazioni sperimentali hanno dimostrato che la velocità di alcuni ammassi stellari sono anche 400 volte maggiori di quelle teorizzate e alcune galassie sono più pesanti di quello che dovrebbero essere. Se guardiamo l’universo nella sua totalità, è in espansione ad una velocità sempre in aumento, contrariamente ai calcoli aspettati di un cosmo che dovrebbe rallentare per effetto della gravitazione che genera la materia mentre si forma.

Diversi esperimenti infine hanno portato a stimare la densità dell’universo – detta Densità Critica – pari a circa 10-30 grammi per centimetro cubo. Anche in questo caso la massa dell’universo visibile non basta per dare questi valori, confermando l’ipotesi che la maggior parte dell’Universo sia invisibile e diversa da quella ordinaria che conosciamo tutti.

Di cosa è fatta

Di cosa sia fatta la materia oscura è ancora un mistero. Quello che sappiamo è che può essere di due tipi: una di tipo barionico e una di tipo non barionico. Quella barionica è una piccola parte della materia oscura: è la materia ordinaria fatta da atomi ed è costituita da quegli oggetti massicci ma non luminosi come le nane bianche, le stelle di neutroni o i buchi neri, i così detti MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects = Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) che emettono una luce troppo scarsa per essere intercettati. La materia non barionica è costituita da particelle molto massive (fino a 100 volte più pesanti di un protone) che non interagiscono – se non pochissimo – con la materia.

È possibile vedere la materia oscura?

Come abbiamo detto non è possibile vederla direttamente ma possiamo indagarla dagli effetti che produce sulla materia ordinaria. Sebbene abbia interazioni gravitazionali minime con la materia ordinaria, essendo presente in abbondanza in tutto l’universo, la materia oscura è capace di produrre effetti visibili della sua presenza. È il caso della lente gravitazionale, un fenomeno di deviazione della luce nello spazio che avviene quando la radiazione emessa da un corpo luminoso, questa luce, viene filtrata o ostacolata parzialmente da una massa posta tra la sorgente (il corpo luminoso) e l’osservatore. In questo modo sarà visibile una luce alterata per effetto di questa massa invisibile.

Sviluppi attuali
La nuova frontiera della materia oscura è l’esperimento di BabyIAXO, un telescopio ideato per rivelare gli assioni (o ALP) potenzialmente prodotti all’interno del nucleo solare.
Gli assioni sono ipotetiche particelle elementari – non ancora osservate – con una massa piccolissima, spin zero e carica elettrica nulla che interagirebbero debolmente con la materia ma risentirebbero dell’interazione gravitazionale. Queste particelle teoriche sarebbero state prodotte in abbondanza durante il big-bang e sarebbero presenti in grandi quantità nell’universo, quindi perfette candidate per costituire la stessa materia oscura.
Il progetto è in allestimento al sincrotrone tedesco Desy di Amburgo: questa struttura in funzione dal 1965, ospita un acceleratore di particelle circolare, Hera, lungo 6,3 chilometri, il “Deutsches Elektronen-SYnchrotron”.
Lo studio degli assioni potrebbe spiegare le anomalie nell’evoluzione stellare e nella propagazione dei fotoni e indagare la costituzione della materia oscura. Il
telescopio solare, il cui peso complessivo si aggira sulla 90 tonnellate, è costituito da un magnete superconduttore lungo 10 metri e da rilevatori ultrasensibili per i raggi X: l’intento è quello di fotografare il processo di conversione degli assioni in fotoni visibili. I primi dati del telescopio dovrebbero arrivare nel corso di questo 2024.

Conoscere questi fenomeni così affascinanti e complessi, può permetterci di spiegare la formazione e il comportamento delle galassie e forse il destino dell’Universo.

Photo-video credits:

“Anillo de materia oscura” by Kanijoman is licensed under CC BY 2.0.

“Acceleratore di particelle” by Pemulis is licensed under CC BY-SA 2.0.