Cos’ è la materia oscura? E’ solo un ipotesi, oppure è stata confermata?

E’ la materia
a governare l’evoluzione futura del nostro universo, quindi per comprendere
la natura del posto in cui viviamo e la sua destinazione dobbiamo capire
quanta materia è racchiusa nell’universo. Infatti la materia è la “colla
gravitazionale” che governa i moti e l’espansione dell’universo decretandone
come esso evolverà. Ci sono tre possibili scenari evolutivi:


  1. Materia insufficiente; l’Universo continuerà ad espandersi e a
    raffreddarsi infinitamente densità critica insufficiente < 1 (la densità
    critica è pari a 2×10-29 h2 g/cm3 )
  2. Almeno 3 atomi di idrogeno per metro cubo; l’Universo arresterà
    ad un certo punto la sua espansione densità critica uguale alla densità
    di materia = 1
  3. Oltre il precedente valore di densità; l’Universo invertirà il
    moto di espansione contraendosi densità critica superiore alla densità
    di materia > 1

Oltre a
questi problemi cosmologici l’esistenza di materia oscura era già ritenuta
necessaria nei primi anni trenta. Il primo ad intuire l’esistenza di materia
invisibile fu l’astronomo J.Oort, che per chiarire il moto delle stelle
perpendicolarmente al piano della Galassia suppose che oltre alla materia
visibile ne dovesse esistere dell’altra oscura non osservabile. Nel 1933
l’astronomo F.Zwicky, analizzando i moti delle galassie che compongono
l’ammasso della Chioma di Berenice si rese conto che la materia osservabile,
ipotizzata tramite il rapporto massa luminosità, non era sufficiente a
legare gravitazionalmente le galassie in funzione delle velocità dei loro
moti. Perché i conti tornassero bisognava introdurre una quantità di materia
oscura di un fattore 10-100 volte in più di quella visibile.

Quando negli
anni settanta, si scoprì che un gas ad altissima temperatura, che emette
soprattutto nei raggi X, occupa gli spazi tra galassia e galassia negli
ammassi, si penso che tale gas potesse risolvere la discrepanza trovata
da Zwicky. In realtà per quanto il gas abbia una massa confrontabile con
quelle delle galassie dell’ammasso, risulta evidente che è comunque largamente
insufficiente a risolvere il problema della massa mancante.

Ulteriori
evidenze a favore dell’esistenza di materia oscura vennero raccolte alla
fine degli anni settanta, osservando le curve di rotazione di alcune galassie
a spirale, compresa la nostra, esse mostravano di non adattarsi alla legge
di Keplero, secondo la quale le velocità di rotazione deve diminuire allontanandosi
dal centro di massa.Quello che invece trovò l’astronoma Vera Rubin, fu
che le velocità rimanevano più o meno costanti a grande distanza dal centro
e a volte ben al di là del limite visibile delle galassie. Questo porto
a postulare l’esistenza di enormi aloni di materia oscura (contenenti
anche dieci volte più materia della galassia stessa).

La teoria
attualmente più accreditata sulla nascita dell’universo, e della Teoria
del Big Bang inflazionario, non sto qua a dilungarmi sulle ipotesi di
questa elegante teoria, ma una predizione risulta importante in questo
contesto, se l’inflazione è avvenuta la densità dell’universo deve essere
uguale a un 1(vedi punto 2). Dalle misurazioni, peraltro incerte, la densità
di materia visibile misurata è compresa fra 0.003 e 0.01 quindi al massimo
un 1% della materia necessaria a confermare le nostre teorie e osservazioni.
Questo implica che se l’universo è piatto, il 99% della materia in esso
contenuta sarebbe a noi invisibile e composta di materia non ordinaria,
cioè barioni, ma da particelle esotiche frutto dei primi istanti della
vita dell’universo come predicono le moderne teorie della grande unificazione.
Da recenti misure tese a valutare la quantità di materia barionica contenuta
nell’universo porta a stimare la densità molto prossima al valore massimo
stimato di 0.01, mentre la materia visibile, che emette quindi radiazione
elettromagnetica, non dovrebbe superare il valore di 0.003, questo comporta
che sicuramente esiste una grande quantità di materia ordinaria non visibile
composta molto probabilmente da pianeti orbitanti attorno ad altre stelle
e da nane brune, ossia corpi di piccola massa nei quali le reazioni termonucleari
non si sono riuscite a d innescare. Un piccolo contributo lo potrebbero
dare pure i cadaveri stellari di stelle massicce (buchi neri e stelle
a neutroni). S. Hawking ha ipotizzato che la materia oscura sia costituita
in gran parte da buchi neri primordiali che si sarebbero formati al tempo
del Big Bang e che sarebbero sopravvissuti fino all’epoca attuale. L’ipotesi
però non ha incontrato il favore degli altri cosmologi.

La quantità
di materia oscura barionica, comunque, come abbiamo visto non è sufficiente,
e però non possiamo nemmeno invocarne di più in quanto è il massimo concesso
dalle osservazioni e dalle teorie più accreditate. Se la materia oscura
non è materia ordinaria da cosa è costituita? Si pensa sia costituita
da particelle esotiche, soggette solamente alla forza debole, quindi poco
reagenti con la materia ordinaria, che si sarebbero formate nei primissimi
istanti di vita dell’Universo.

Una di tali
particelle, l’unica fino ad ora osservata, è il neutrino, una particella
neutra di massa molto piccola forse nulla. Ma se questa particella avesse
una massa per quanto piccola, il numero di queste particelle è talmente
elevato che sarebbe un buon candidato a diventare il responsabile principale
della materia oscura non-barionica.

Ma ci sono
anche altre particelle più massicce, anch’esse ad interazione debole e
non barioniche, che potrebbero essere state create nei primissimi istanti
di vita dell’Universo. Esse vanno sotto il nome generico di WIMPS (Weakly
Interactive Massive Particles) e sono previste da alcune moderne teorie
delle particelle elementari, in particolare dalla Teoria della Grande
Unificazione, che uniscono in una sola forza tre delle forze fondamentali
della natura, quella elettromagnetica, quella nucleare forte e quella
nucleare debole. Queste particella non sono state ancora osservate, ma
solamente previste alcune hanno nomi originali come Fotino, Assione ecc..

Esiste una
differenza fondamentale fra i WIMPS e il neutrino, la massa, quindi la
velocità nel momento in cui si sono disaccoppiati dalla radiazione, molto
grossa la massa dei WIMPS quindi velocità basse (si parla di materia oscura
fredda) molto bassa la massa del neutrino, quindi velocità elevate (si
parla di materia oscura calda). La velocità, quindi la temperatura del
componente non barionico della massa dell’Universo è fondamentale per
giustificare le strutture che si osservano all’epoca attuale, ma che esistevano
già come embrioni nei primi istanti dell’Universo. Infatti il contributo
della materia oscura non-barionica, essendo il 99% della materia che permea
l’Universo, è il principale fautore delle strutture a larga scala che
noi osserviamo. Per giustificare le osservazioni i candidati migliori
sarebbero le particelle WIMPS, il problema che si pone è che finora queste
particelle non sono state ancora osservate, mentre il neutrino ha questa
importante proprietà.

Tirando
le somme, noi viviamo in un universo che sembrerebbe composto dal 90-99%
di materia a noi invisibile, quindi quello che possiamo osservare non
supera una parte su cento. Ma sarà vera questa conclusione? Gli scienziati
da ogni parte del mondo stanno inventando esperimenti per scoprire queste
elusive particelle, nel frattempo i teorici, aiutati dalle osservazioni,
raffinano le teorie per eliminare i dubbi e le incongruenze, tra l’altro
recenti studi non ancora confermati metterebbero in risalto l’esistenza
di un’energia responsabile di produrre una forza che si contrappone alla
gravità, accelerando l’espansione universale. La presenza di questa energia,
che per la nota equivalenza stabilità dalla Relatività Generale equivale
alla presenza di massa, potrebbe portare la densità di materia ad un valore
prossimo a 1 come richiesto dalla teoria inflazionaria senza il bisogno
di inventare un buon 70% di materia non visibile risolvendo quindi diversi
problemi. Ma questa è un’altra storia!