Materia oscura, per sua stessa natura, è invisibile. Non possiamo osservarlo con i telescopi, e nemmeno i fisici delle particelle hanno avuto fortuna a rilevarlo tramite esperimenti.

Allora perché io e migliaia di miei colleghi crediamo che la maggior parte della massa dell'universo sia costituita da materia oscura, piuttosto che la materia convenzionale che comprende le stelle, pianeti, e tutti gli altri oggetti visibili nei nostri cieli?

Per rispondere a questa domanda devi apprezzare ciò che la materia oscura può e non può fare, capire dove nell'universo si nasconde, e renditi conto che "buio" è solo l'inizio del puzzle.

Influenza invisibile

La nostra storia sulla materia oscura inizia con la velocità e la gravità. In tutto il cosmo vediamo oggetti che viaggiano in orbite sotto l'influenza della gravità. Proprio come la Terra orbita attorno al Sole, il Sole orbita intorno al centro della nostra galassia.

La velocità richiesta per mantenere un corpo celeste in orbita è funzione della massa e della distanza. Per esempio, nel nostro Sistema Solare, La Terra si muove a 30 km al secondo, mentre i pianeti più distanti si aggirano a diversi chilometri al secondo.

La nostra galassia è incredibilmente massiccia, quindi il Sole orbita a 230 km al secondo pur essendo 26, A 700 anni luce dal centro della nostra galassia. Però, mentre ci allontaniamo dal centro della galassia, le velocità orbitali delle stelle rimangono pressoché costanti. Come mai?

A differenza del nostro Sistema Solare, la cui massa è dominata dal Sole, massa nella nostra galassia è distribuita su migliaia di anni luce. Quando ci si sposta a distanze maggiori dal centro galattico, le stelle e il gas racchiusi in questo raggio aumentano. Questa massa aggiuntiva può spiegare le vaste velocità delle stelle più lontane della nostra galassia? Non proprio.

Negli anni Sessanta, l'astronoma statunitense Vera Rubin ha misurato le velocità orbitali nella galassia di Andromeda (la galassia vicino alla Via Lattea) a distanze di 70, 000 anni luce dal nucleo di quella galassia. Sorprendentemente, nonostante questa distanza sia ben oltre la massa delle stelle e del gas di Andromeda, la velocità orbitale è rimasta intorno ai 250 km/s.

Questo fenomeno non è unico nemmeno per le singole galassie. Già negli anni '30, L'astronomo svizzero-americano Fritz Zwicky ha scoperto che le galassie in orbita all'interno di ammassi di galassie si muovevano molto più velocemente del previsto.

Cosa sta succedendo? Una possibilità è che una grande quantità di massa invisibile si estenda oltre le stelle e il gas. Questa è materia oscura.

Infatti, il lavoro di Zwicky, Rubin e le successive generazioni di astronomi indicano che c'è più materia oscura nell'universo che materia convenzionale. (Per quanto riguarda l'energia oscura, questa è tutta un'altra storia.)

Sorprendentemente, la nostra incapacità di vedere o rilevare la materia oscura fornisce indizi su come si comporta. Deve avere poche interazioni con se stesso e la materia convenzionale a parte la forza di gravità, altrimenti l'avremmo rilevata emettere luce e interagire con altre particelle.

Poiché la materia oscura interagisce principalmente tramite la sola gravità, ha alcune proprietà curiose. Una nuvola di gas caldo nello spazio può perdere energia emettendo luce, e quindi raffreddare. Una nube di gas sufficientemente massiccia e fredda può collassare sotto la sua stessa gravità per formare stelle.

Al contrario, la materia oscura non può perdere energia emettendo luce. Così, mentre la materia convenzionale può collassare in oggetti densi come stelle e pianeti, la materia oscura rimane più diffusa.

Questo spiega un'apparente contraddizione. Mentre la materia oscura può dominare la massa dell'universo, non pensiamo che ce ne sia molto nel nostro Sistema Solare.

Successo della simulazione

Poiché il moto della materia oscura è dominato esclusivamente dalla gravità, è anche relativamente facile da modellare analiticamente e nelle simulazioni.

Dagli anni '70 abbiamo avuto formule per il numero di strutture di materia oscura, che capita anche di prevedere il numero di galassie massicce e ammassi di galassie. Per di più, le simulazioni possono modellare l'accumulo di strutture attraverso la storia dell'universo. Il paradigma della materia oscura non si adatta solo ai dati, ha potere predittivo.

Esiste un'alternativa alla materia oscura? Deduciamo la sua presenza usando la gravità, ma cosa succede se la nostra comprensione della gravità è sbagliata? Forse la gravità è più forte a grandi distanze di quanto pensiamo.

Esistono diverse teorie gravitazionali alternative, con il Modified Newtonian Dynamics (MoND) di Mordehai Milgrom come esempio più noto.

Come distinguiamo la materia oscura dalla gravità modificata? Bene, nella maggior parte delle teorie la gravità tira verso la massa. Così, se non c'è materia oscura, la gravità tira verso la materia convenzionale, mentre se la materia oscura domina, la gravità attirerà prevalentemente verso la materia oscura.

Quindi dovrebbe essere facile dire quale teoria è giusta, Giusto? Non esattamente, poiché la materia oscura e la materia convenzionale si susseguono grossolanamente. Ma ci sono alcune eccezioni utili.

Schiaccia nuvole di gas e materia oscura insieme e succede qualcosa di meraviglioso. Il gas si scontra per formare un'unica nube, mentre le particelle di materia oscura continuano a muoversi sotto l'influenza della gravità. Ciò accade quando ammassi di galassie si scontrano tra loro a velocità elevate.

Come misuriamo l'attrazione della gravità negli ammassi di galassie in collisione? Bene, la gravità non attrae solo la massa ma anche la luce, immagini così distorte delle galassie possono tracciare l'attrazione gravitazionale. E negli ammassi di galassie in collisione, la gravità tira verso dove dovrebbe essere la materia oscura, non verso la materia convenzionale.

Increspature nel tempo

Possiamo vedere l'influenza della materia oscura non solo oggi ma in un lontano passato, di nuovo al Big Bang.

Lo sfondo cosmico a microonde, il bagliore del Big Bang, può essere visto in tutte le direzioni. E in questa palla di fuoco possiamo vedere le increspature, il risultato di onde sonore che viaggiano attraverso il gas ionizzato.

Queste onde sonore derivano dall'interazione della gravità, pressione e temperatura nell'universo primordiale. La materia oscura contribuisce alla gravità, ma non risponde alla temperatura e alla pressione come la materia convenzionale, quindi la forza delle onde sonore dipende dal rapporto tra materia convenzionale e materia oscura.

Come previsto, le misurazioni di queste increspature prese dai satelliti e dagli osservatori terrestri rivelano che c'è più materia oscura che materia convenzionale nel nostro universo.

Quindi il caso è chiuso? La materia oscura è sicuramente la risposta? La maggior parte degli astronomi direbbe che la materia oscura è la spiegazione più semplice e migliore per molti dei fenomeni che vediamo nell'universo. Sebbene ci siano potenziali problemi per i modelli di materia oscura più semplici, come il numero di piccole galassie satellite, sono problemi interessanti piuttosto che difetti irresistibili.

Ma resta il fatto che dobbiamo ancora rilevare direttamente la materia oscura. Questo non mi preoccupa particolarmente, poiché la fisica ha una storia di particelle che hanno impiegato decenni per essere rilevate direttamente. Se non l'abbiamo rilevato tra 20 anni, potrei essere preoccupato, ma per ora scommetto che la materia oscura è il vero affare.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.