“La materia oscura rimane uno dei segreti più misteriosi ed affascinanti della natura. Gelosamente custodito e ancor tutto da decifrare” (1). Le parole di Cristiano Galbiati, astrofisico a Princeton, impegnato nello studio di questa invisibile sostanza, pongono in evidenza quale sarà l’obbiettivo della ricerca degli scienziati, sia fisici che astrofisici e cosmologi, teorici e sperimentali, nel XXI secolo. Prosegue Galbiati “ la comprensione e la definizione della natura della materia oscura cambierà la percezione dell’Universo in cui viviamo; sposterà i confini degli elementi fondamentali della materia e dei campi di forza….”. Ma non è solo questo il problema degli scienziati, c’è anche l’energia “oscura”: risultati recentissimi supportano la teoria che un quarto dell’universo è formato dalla materia oscura e che lo spazio cosmico è riempito con una invisibile energia che causa l’accelerata espansione dell’universo e ne costituisce circa il 70%.
La prima indicazione della possibile esistenza della materia oscura, cioè qualcosa che non emette, assorbe o riflette radiazione elettromagnetica, quindi luce in qualsiasi lunghezza d’onda, e si manifesta soltanto per i suoi effetti gravitazionali, si deve all’astrofisico svizzero Fritz Zwicky che, studiando i movimenti delle galassia nell’ammasso, costituito da migliaia di galassie, della Chioma “realizzò che all’interno dell’ammasso le galassie si muovevano con una velocità nettamente superiore a quella calcolabile considerando l’effetto gravitazionale dovuto alle stelle visibili” (2). Zwicky pensò che se gli ammassi contenevano una elevata quantità di materia invisibile, questa materia doveva curvare lo spazio-tempo per cui i raggi di luce che attraversavano l’ammasso dovevano deviare dalla traiettoria rettilinea. Quindi l’ammasso si comportava come una lente ottica, deflettendo e poi facendo convergere i raggi luminosi; Zwicky chiamò questi ammassi molto densi “lenti gravitazionali”. Questo effetto permetteva di valutare la quantità di massa coinvolta. In altre parole, applicando la fisica newtoniana, le galassie sarebbero dovute fuoruscire dalla loro orbita in quanto l’attrazione esercitata dalla massa delle stelle visibili non sarebbe stata sufficiente a vincolarle alla traiettoria che veniva osservata col telescopio né era sufficiente per produrre la forza che curva la luce. Zwicky pubblicò i suoi risultati nel 1933 affermando che solo introducendo l’ipotesi dell’esistenza di una “dunkle materie” (materia oscura) invisibile ed ignota, molto maggiore della massa visibile, si poteva giustificare l’origine della forza gravitazionale che tiene insieme gli ammassi di galassie. Curiosamente l’attenzione degli astrofisici per la pubblicazione di Zwicky fu praticamente nulla (2), per cui dovettero passare circa quaranta anni prima che due altri astrofisici, Vera Rubin e Kent Ford, negli anni settanta, cercando di determinare la massa di singole galassie a spirale, si accorsero che il loro moto non era spiegabile considerando la massa delle sole stelle visibili in ciascuna galassia. Dopo molte ed accuratissime misure arrivarono alla conclusione che la materia invisibile doveva essere circa sei volte più abbondante di quella visibile.
Questi risultati spinsero i fisici teorici ad impegnarsi nella costruzione di modelli basati sull’esistenza della materia oscura come motore primario della formazione di tutte le galassie del cosmo. Attualmente i vari modelli elaborati ed a lungo affinati, presentano solo piccole discrepanze fra le predizioni teoriche e le evidenze sperimentali che forniscono dati sempre più precisi ed affidabili grazie a strumentazioni maggiormente sofisticate. Oggi si stima che la massa invisibile non si estenda solo nelle regioni attorno alle galassie, ma che sia presente come una sottile ragnatela diffusa ovunque nel cosmo di cui ne costituisce, a larga scala, la struttura. Le simulazioni dell’assemblaggio delle galassie ci presentano un universo pervaso da una rete di materia oscura filamentosa di bassa densità che si estende anche negli spazi intergalattici e connette gli aloni molto densi di materia oscura dove si trovano gli ammassi galattici. Risultati osservazionali riportati recentemente (3), hanno mostrato per la prima volta l’immagine composita mostrata nella figura sottostante, ottenuta combinando una serie di immagini individuali, di un filamento di materia oscura che connette ed allaccia insieme due galassie, realizzata sfruttando l’effetto “lente gravitazionale” (gravitational lensing).
Sicuramente la materia oscura non è materia “normale”, cioè costituita dalle particelle chiamate barioni, come i protoni ed i neutroni, che costituiscono la maggior parte della massa della materia visibile nell’universo. Infatti insiemi barionici sarebbero rivelabili misurando l’assorbimento selettivo, a seconda dei componenti dell’insieme, della radiazione stellare che li attraversa. Non può essere antimateria, cioè materia identica a quella ordinaria salvo con carica elettrica di opposta polarità, perché si avrebbero fenomeni di annichilazione tra materia ed antimateria facilmente rilevabili per l’emissione di radiazione gamma. Inoltre si può escludere che sia attribuibile all’esistenza di immensi buchi neri primordiali di dimensioni galattiche generatisi immediatamente a seguito del big bang, perché non sono stati registrati sufficienti fenomeni di “gravitational lensing”, cioè di incurvamenti della traiettorie luminose dovute a concentrazioni elevatissime di materia come prescrive la teoria della relatività generale di Einstein. In ogni caso, da recentissime misure sulle traiettorie di stelle all’interno di dieci galassie nane assai note e studiate, prossime alla via lattea (4), si è potuta escludere l’ipotesi dei buchi neri che potrebbero, forse, contribuire alla materia oscura solo per una piccola frazione.
Anche l’idea, formulata negli anni settanta, che la massa oscura si trovasse distribuita in aloni galattici chiamati MACHO (Massive Compact Halo Object) costituiti da materia ordinaria, è stata oggi completamente abbandonata in quanto, dalle risultanze sperimentali e dalle teorie cosmologiche più avanzate appare sempre più probabile che la materia oscura sia costituita da particelle elementari sconosciute. Il cosiddetto “Modello Standard”, la teoria delle particelle fondamentali sviluppata negli anni sessanta del secolo scorso, ha sistematizzato in modo preciso e definitivo il complesso mondo delle particelle subnucleari e delle loro interazioni, con una capacità predittiva incredibile. Si stimava che questo modello così perfetto e confermato da innumerevoli evidenze sperimentali, potesse includere anche una qualche particella che avesse le caratteristiche necessarie per descrivere la materia oscura. Ma di questa particella non è stata riscontrata alcuna traccia credibile all’interno del modello.
Circa dieci anni fa è stata affacciata l’idea che la materia oscura sia costituita da particelle subatomiche massive debolmente interagenti prive di carica chiamate WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), quindi soggette alla gravità ma non a interazioni elettromagnetiche. Le WIMP sono predette da una estensione del Modello Standard della fisica delle particelle, chiamata Supersimmetria, che postula che la simmetria fra le due classi fondamentali di particelle, i bosoni, come il fotone e il bosone di Higgs che sono i mediatori delle forze fondamentali, ed i fermioni che sono particelle prive di struttura interna come i quarks e l’elettrone, abbiano dei superpartners nell’altra classe di eguale massa ma con spin, una caratteristica rotazionale intrinseca, fissa ed immutabile, di tutte le particelle materiali, che differisce di ±1/2. La supersimmetria è una teoria molto bella matematicamente in grado di spiegare alcuni importanti interrogativi del modello Standard, ma per quanto riguarda l’esistenza delle WIMP, a tutt’oggi, malgrado i grandi sforzi sperimentali, dei partner supersimmetrici, che dovrebbero avere una massa notevolmente maggiore delle particelle ordinarie, non si è trovata traccia. Al CERN di Ginevra la ricerca per le WIMP condotta col grande acceleratore LHC (Large Hadron Collider) facendo collidere fasci di protoni accelerati ad energie elevatissime non hanno prodotto alcun risultato affidabile. Non vi è segno di creazione di particelle supersimmetriche o di materia oscura con masse fino ad oltre 1000 GeV (1 gigaelettronvolt = un miliardo di eV) dove i fisici speravano di trovarle.
In parallelo sono stati progettati e sono in funzioni complessi esperimenti volti ad una rivelazione diretta della presenza di particelle di materia oscura che viaggiano nell’universo, usando rivelatori composti da materiali sensibili in grado di rilasciare un segnale luminoso, una scintillazione, qualora si abbia una collisione tra una particella e la sostanza del rivelatore. I lampi di luce vengono registrati dai fotomoltiplicatori che circondano il contenitore del rivelatore. Si tratta di grossi recipienti contenenti Argon liquido o Xenon liquido raffreddati a temperature vicino allo zero assoluto, oppure di cristalli di ioduro di sodio, alloggiati sotto terra o sotto una montagna per diminuire l’interferenza dei raggi cosmici, e pesantemente schermati per ridurre il rumore di fondo dovuto alla radioattività naturale delle rocce circostanti.
L’esperimento in corso a Sudbury (Ontario) usa 3600 Kg di argon liquido ed è posizionato in una miniera alla profondità di 2000 metri sotto la superficie terrestre. In Italia è attivo nei laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare del Gran Sasso, sormontati da 1400 metri di roccia, che sono i laboratori sotterranei più grandi del mondo, il progetto DAMA (DArk MAtter) che usa come scintillatori una matrice di cristalli radio-puri di ioduro di sodio all’interno di una schermatura di molte tonnellate per ridurre il fondo radioattivo ambientale. Un esperimento simile, chiamato COSINE-100, usa 100 Kg di purissimo ioduro di sodio ed è in corso d’opera nel laboratorio sotterraneo di Yangyang nella Corea del Sud. Un altro esperimento è stato inaugurato alla fine del 2015 nel laboratorio del Gran Sasso, una nuova trappola per la materia oscura chiamata Xenon 1T alta 10 metri, con un cuore composto da un contenitore riempito con 3,5 tonnellate di xenon liquido purissimo sul quale sono affacciati 248 fotomoltiplicatori capaci di rivelare ogni singolo fotone dovuto alle interazioni delle particelle di materia oscura con lo xenon. Dall’analisi dei segnali luminosi si può risalire all’energia ed alla posizione della particella, ed alla sua natura. Il progetto è il risultato di una collaborazione internazionale di 21 gruppi di ricerca. Come afferma Gabriella Sartorelli, coordinatrice del gruppo di ricercatori italiani “Noi prevediamo che circa 100.000 particelle di materia oscura attraversino ogni secondo una superficie pari a quella di un’unghia. Il fatto che non le abbiamo già osservate ci dice, tuttavia, che la loro probabilità di interagire con gli atomi dei nostri rivelatori è molto piccola, e che abbiamo, pertanto, bisogno di strumenti più grandi e più sensibili per trovare le rare firme di questa particella”(5).
Finora però tutti questi esperimenti non hanno prodotto alcun risultato tanto che i fisici stanno esplorando nuove possibilità di ricerca e nuove idee o teorie alternative, come ad esempio l’ipotesi che la materia oscura possa non interagire in alcun modo con le particelle conosciute, oppure, anche se già in gran parte respinte, versioni diverse della teoria della gravità che permettano di evitare la necessità di ricorrere alla materia oscura per spiegare i fenomeni galattici, o infine accettare che la natura possa avere celato la materia oscura al punto da escluderla dalla nostra capacità di rivelarla. Ma questa sarebbe una sconfitta inaccettabile per i fisici. Ricordiamo che il bosone di Higgs fu postulato nel 1964 e scoperto nel 2012, quasi mezzo secolo dopo, quindi ci vorranno magari molti anni ancora prima di arrivare ad un risultato convincente e definitivo.
Lo scorso agosto è stata presentata, dopo anni di osservazioni, una mappa della distribuzione attuale della materia oscura nel cosmo ottenuta sfruttando l’effetto “lente gravitazionale” su ben 26 milioni di galassie analizzate nell’ambito del progetto “Dark Energy Survey”. La mappa copre un trentesimo di tutto il cielo ed un’estensione di parecchi miliardi di anni luce. La sua precisione è paragonabile a quella ottenuta con la misura delle anisotropie del fondo primordiale di radiazione cosmica nelle microonde, il cosiddetto residuo “fossile” del Big Bang, che ci riporta ad una età dell’universo di circa 380.000 anni, compiute dall’osservatorio orbitante Planck dell’ESA (European Space Agency) dal 2009 in poi, e la ricalca con un accordo entro il 7%. Da queste osservazioni si conferma che la materia oscura rappresenta circa il 25% di tutta la materia contenuta nell’universo, mentre la materia visibile “normale” di cui sono composte le stelle, i pianeti e noi stessi, è dell’ordine del 4-5%; il restante della massa-energia dell’universo, ricordiamo l’equivalenza tra queste due entità espressa dalla formula di Einstein E= mc² dove E è l’energia, m la massa e c la velocità della luce, è costituito dalla cosiddetta energia oscura, la forza che sta accelerando l’espansione dell’universo.
I risultati sperimentali supportano decisamente il modello cosmologico standard del Big Bang che postula una grande esplosione iniziale seguita immediatamente da una brevissima ma vertiginosa espansione esponenziale dell’Universo ad una velocità superiore a quella della luce, nota come inflazione cosmica, per poi tornare ad una espansione regolare ad una velocità rallentata per circa 10 miliardi di anni finché l’energia oscura ha fatto sentire la sua influenza ed ha dato nuovo impulso all’espansione accelerandola. Secondo il modello l’universo all’inizio era una palla di fuoco originatasi 13,8 miliardi di anni fa da una singolarità, cioè da una regione infinitamente piccola, con uno stato fisico caratterizzato da temperature e densità estreme in cui tutto lo spazio-tempo e la materia dell’universo si trovavano contenute. Dal tempo di inizio, convenzionalmente definito come t=0, comincia a scorrere il tempo cronologico, concetto che prima di t=0 era privo di significato perché il tempo stesso doveva nascere, e lo spazio, prima inesistente, inizia a dilatarsi con un processo incessante di “creazione” dello spazio stesso. Molte evidenze osservative relative alle dimensioni, la forma, l’età dell’universo, hanno confermato la bontà del modello, però l’identificazione e la caratterizzazione della materia oscura e dell’energia oscura restano elusive ed ignote.
Nel 1998 le osservazioni, condotte col telescopio spaziale Hubble, di lontanissime supernove, esplosioni stellari molto energetiche e luminose che sono importanti tracciatori di distanze cosmologiche, hanno dimostrato che in tempi lontani, come accennato precedentemente, l’espansione dell’universo era più lenta di quella attuale che è in continua crescita. Ne segue che, contrariamente a come era immaginabile, l’espansione non è diminuita a causa della attrazione gravitazionale reciproca dei miliardi di galassie del cosmo. Questo comportamento anomalo deve essere causato o da una energia sconosciuta che riempie lo spazio oppure da un errore della teoria Einsteniana della gravità, finora dimostratasi corretta senza eccezioni, che andrebbe modificata per includere un qualche tipo di campo di forze responsabile dell’accelerazione cosmica. Scartando la seconda ipotesi in quanto finora tutte le osservazioni sono consistenti con la teoria generale della relatività, confermata anche dalla recentissima rivelazione delle onde gravitazionali predette da Einstein un secolo fa, non resta che considerare l’energia oscura una “caratteristica” dello spazio in quanto localizzata dappertutto, anche in assenza di materia. Già Einstein aveva ipotizzato la possibilità che nuovo spazio venga creato e che lo spazio vuoto possa avere una sua propria energia. Essendo questa energia una proprietà intrinseca dello spazio stesso, non può rarefarsi con l’espansione dello spazio, ovvero la nascita di nuovo spazio darebbe luogo all’apparizione di nuova “energia dello spazio” col risultato di accelerare l’espansione dell’universo. Matematicamente questa situazione è codificata nelle equazioni di campo della Relatività Generale da una “costante cosmologica” che può essere considerata equivalente alla energia del vuoto e rappresenta una densità costante di energia che riempie lo spazio in modo omogeneo e si comporta come una forza repulsiva rispetto alla gravità.
Un’altra ipotesi sulla energia oscura è che sia un nuovo genere di energia fluida o di campo fisico, simile ad esempio al campo elettromagnetico, che pervade tutto lo spazio ed i cui effetti sull’espansione dell’universo sono opposti a quelli dell’energia e della materia normali. Alcuni teorici, considerandola la quinta forza fondamentale della natura dopo la gravità, l’elettromagnetismo, la forza debole e la forza forte, l’hanno chiamata “quintessenza” dal nome del quinto elemento della filosofia greca. La quintessenza differisce dalla teoria della costante cosmologica per il suo carattere dinamico, cioè variabile nel tempo e nello spazio, mentre la costante cosmologica, per definizione, è costante e fissa. Ma anche questa teoria non riesce a spiegare cosa sia l’energia oscura, né come interagisce e perché esiste.
Una diversa spiegazione di come lo spazio acquisti energia viene dalla teoria quantistica della materia che spiega che lo spazio “vuoto” pullula invece di particelle ed antiparticelle virtuali che incessantemente si formano e si annichilano in tempi infinitamente brevi. Queste fluttuazioni del vuoto gli conferiscono una energia, e quindi una massa, che produrrebbe effetti antigravitazionali determinando l’accelerazione dell’espansione dell’universo. Ma quando si cerca di calcolare quanta energia si verrebbe a creare in tal modo nello spazio vuoto, si ottiene un valore enorme, completamente fuori misura e privo di senso fisico.
Quindi oggi , come per la materia oscura, sappiamo che l’energia oscura esiste perché ne vediamo gli effetti grazie ad un inventario cosmico sempre più dettagliato, ma non sappiamo nulla della sua natura né come si sia originata ed evoluta. Si spera in futuro che gli enormi sforzi pianificati per osservare ed analizzare l’universo con una accuratezza sempre maggiore, mediante l’uso di potenti telescopi satellitari e programmi cooperativi di osservazione terrestre nonché di speculazione teorica, possano avvicinarci ad una comprensione della vera natura di queste entità, massa ed energia oscura, che permeano per circa il 95% l’Universo, e che alla fine rimandano al momento iniziale della creazione e forse a qualche principio organizzativo più profondo che attualmente ci sfugge.
La domanda che la moderna cosmologia, sia teorica che osservativa, si pone, è quanto durerà l’espansione dell’Universo. Gli scenari proposti, nessuno dei quali conclusivo, dipendono dalla quantità di materia contenuta nell’universo: se la massa totale sarà inferiore o superiore ad un valore critico, l’espansione continuerà indefinitamente oppure l’universo ad un certo momento comincerà a contrarsi fino a ridiventare una singolarità come nel suo stadio iniziale. Attualmente le prove sperimentali raccolte relative alla velocità d’espansione ed alla densità di massa portano a privilegiare l’ipotesi che l’universo non collasserà in quanto l’energia oscura sembra prevalere sugli effetti attrattivi gravitazionali della materia. L’allontanamento progressivo delle galassie tra loro dovuto all’espansione porterà ad un universo sempre più rarefatto e disaggregato fino a quando tutta la materia non sarà risucchiata dai buchi neri, presentando, come remoto scenario terminale, una situazione apocalittica che è stata indicata col nome di Big Freeze (Grande Gelo) o morte termica.
Francesco Cappellani
- Galbiati “C’è ma non si vede; alla ricerca della materia oscura”. Micromega n.6, 2017
- Cappellani “Fritz Zwicky, un grandissimo astrofisico dimenticato”. www.dissensiediscordanze 22.09.2017
- D. Epps, M. J. Hudson “The weak-lensing masses of filaments between luminous red galaxies”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 468/3, 1 July 2017
- D. Brandt “Constraints on MACHO Dark Matter from Compact Stellar Systems in Ultra-Faint Dwarf Galaxies”. Astrophysics Journal Lett., 824 L31, 2016
- https://www.lngs.infn.it/it/news/inaugurazione-xenon