La materia oscura  

Nel 1933 l'astronomo svizzero Fritz Zwicky (1898-1974) stava studiando il moto dell'ammasso della Chioma e di quello della Vergine, due ammassi di galassie lontani ed enormi. Zwicky stimò la massa di ogni galassia dell'ammasso basandosi sulla sua luminosità e sommò tutte le masse galattiche per ottenere la massa totale dell'ammasso. Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità individuali delle galassie nell'ammasso; questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte maggiore della stima basata sulla luce delle galassie. Egli fu il primo a sospettare che la materia visibile dell'universo fosse solo una piccola parte di quella visibile nell'universo.

Vera Rubin (1928-2016) fotografata da Philip Bermingham

Un grande passo avanti fu compiuto dall'astronoma statunitense Vera Cooper Rubin, scomparsa il 25 dicembre 2016 a 88 anni. Questa grande scienziata, nata a Filadelfia nel 1928 da genitori ebrei lituani rifugiatisi negli Stati Uniti d'America, studiò astronomia al Vassar College, nello Stato di New York, e avrebbe voluto iscriversi all'Università di Princeton per un corso superiore di specializzazione in astronomia, che invece rimase precluso alle donne fino al 1975. E così, dopo aver conseguito un Master in fisica alla Cornell University, dove lavorò con giganti come Richard Feynman e Hans Bethe, si trasferì alla Georgetown University, dove conseguì il dottorato di ricerca nel 1954 sotto la guida nientemeno che di George Gamow. Le sue prime ricerche riguardarono il moto delle galassie e dimostrarono che la maggior parte di esse mostra peculiari movimenti dovuti alla loro aggregazione gravitazionale in ammassi. Durante questo periodo crebbe ben quattro figli e insegnò part-time al Montgomery County Community College e alla Georgetown University, per entrare infine nella Carnegie Institution di Washington, dove rimase per il resto della sua carriera. Ella fu la prima donna ad avere il permesso di usare gli strumenti del Palomar Observatory, nel 1965, proprio negli anni in cui un'altra donna, Jocelyn Bell (1943-), diventava famosa per la scoperta delle pulsar. Ma la scoperta fondamentale della Rubin arrivò qualche anno più tardi, quando iniziò la collaborazione con Kent Ford (1931-). Rubin e Ford scoprirono che la rotazione della grande Galassia M31 di Andromeda era anomala: la sua periferia ruotava così velocemente che avrebbe dovuto essere proiettata fuori dalla galassia per opera della forza centrifuga, se l'unica massa a tenerla insieme fosse stata la materia visibile ai telescopi; le loro osservazioni furono poi confermate dall'astronomo australiano Ken Freeman (1940-).

Vera Rubin iniziò così a studiare sistematicamente le curve di rotazione delle galassie a spirale. Esse contengono una vasta popolazione di stelle che ruotano su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Come accade per le orbite planetarie, per la Terza legge di Keplero le stelle con orbite galattiche più grandi dovrebbero avere velocità orbitali minori. Invece Vera Rubin scoprì con sorpresa che in nessun caso esse seguono la terza legge di Keplero: invece di diminuire all'aumentare del raggio, le velocità orbitali rimangono con ottima approssimazione costanti. L'implicazione è che la massa racchiusa da orbite di raggio via via maggiore aumenti, anche per stelle che sono apparentemente vicine al limite della galassia. Sebbene si trovino presso i confini della parte luminosa della galassia, questa ha un profilo di massa che apparentemente continua ben al di là delle regioni occupate dalle stelle. Il Sole, per esempio, gira attorno al centro della Via Lattea a 220 km al secondo, ma anche le stelle più lontane del Sole, e anche quelle più vicine. Se la nostra galassia fosse composta solo dalla materia visibile, le stelle alla sua periferia la abbandonerebbero in breve tempo, dato che le loro velocità orbitali sono quattro volte più grandi della velocità di fuga dalla galassia. Dato che non si osservano galassie che si stiano disperdendo in questo modo, al loro interno deve trovarsi della massa di cui non si tiene conto quando si somma la massa di tutte le parti visibili. Il rapporto tra massa invisibile e massa visibile è di 30 a 1 nelle galassie come la Via Lattea, ma può arrivare anche a 400 a 1 nelle galassie nane. Questa massa misteriosa e sfuggente rappresenta addirittura l'85 % di tutta la materia dell'universo, e per la sua indecifrabilità, oltre che per l'impossibilità di vederla, venne battezzata materia oscura.

Per il suo lavoro, Rubin ha ricevuto diversi riconoscimenti, ed è stata la seconda donna, dopo Caroline Herschel nel 1828, a ricevere la medaglia d'oro della Royal Astronomical Society. Era membro della National Academy of Sciences e ha ricevuto la National Medal of Science nel 1993 per il suo lavoro pionieristico sulle curve di rotazione galattiche. Come ha scritto l'astrofisico e divulgatore Lawrence M. Krauss, « nel corso della sua carriera la Rubin ha rappresentato un fulgido modello per le giovani donne, incoraggiando le ragazze a entrare nel campo dell'astronomia e a studiare l'universo, e lavorando all'interno delle organizzazioni professionali per garantire pari opportunità alle scienziate. Come ha scritto una volta: "I miei numeri significano per me più del mio nome. Se gli astronomi stanno ancora usando i miei dati a distanza di anni, questo è il più grande complimento". »

Vi sono dei modi per evitare di introdurre la materia oscura allo scopo di spiegare le osservazioni cosmologiche e la dinamica delle galassie? Il più semplice consiste nell'ipotizzare modifiche alla teoria della gravitazione prevista dalla Relatività Generale. La classe di teorie che prevede questa possibilità va sotto il nome di gravità modificata. Fra queste, la più famosa è la teoria MOND, acronimo di « Modified Newtonian Dynamics », ovvero dinamica newtoniana modificata. Secondo questa teoria, ipotizzata per la prima volta nel 1983 dal fisico israeliano Mordehai Milgrom (1946-), è sufficiente alterare la formulazione delle leggi della dinamica di Newton per piccole accelerazioni per spiegare tutte le osservazioni ed eliminare l'ipotesi della materia oscura. Nel 2018, però, uno studio condotto con diversi telescopi a terra e nello spazio da un gruppo guidato da Davi Rodrigues dell'Universidade Federal do Espirito Santo a Vitoria, in Brasile, ha escluso definitivamente l'ipotesi MOND. Il moto delle stelle in quasi 200 galassie vicine non può essere spiegato da una teoria generale, ma richiede regolazioni specifiche per ogni galassia, evidenziando l'incompatibilità con l'idea di una teoria universale. Al momento, quindi, per Rodrigues e colleghi la materia oscura resta la migliore ipotesi per spiegare le osservazioni sperimentali.

Tuttavia nel 2021 Constantinos Skordis e Tom Zlosnik, ricercatori del Central European Institute for Cosmology and Fundamental Physics (CEICO) di Praga, hanno proposto un’estensione della teoria MOND, postulando l’esistenza di due campi, uno di tipo scalare e l’altro vettoriale. L’effetto combinato di questi due campi consiste nel produrre un contributo "extra" alla forza gravitazionale, del tutto analogo a ciò che farebbero le particelle di materia oscura. Ma c’è di più: il modello riproduce le osservazioni sulla radiazione cosmica di fondo, preservando al tempo stesso la descrizione della rotazione delle galassie tipica delle teorie MOND. Inoltre, questi nuovi campi sono definiti in modo da evolvere coerentemente nel tempo. In passato nessun modello di gravità modificata era riuscito a riprodurre efficacemente la distribuzione ed evoluzione temporale della radiazione cosmica, a differenza dei modelli con materia oscura: il risultato ottenuto dai due scienziati del CEICO costituisce quindi un punto di svolta potenzialmente importante, che riaccende il dibattito nella comunità scientifica sul ruolo dei modelli alternativi alla materia oscura. Nel modello di Skordis e Zlosnik tuttavia alcuni aspetti sembrano definiti ad hoc e non convincono la maggioranza degli astrofisici.

Alessandro Melchiorri, professore di astrofisica alla "Sapienza" di Roma, ha scritto in particolare: « Nei modelli alternativi alla materia oscura, pur partendo da un’idea di semplificazione che elimina la necessità di una nuova forma di materia, si giunge a una teoria molto più complicata, con una nuova fisica che "rientra dalla finestra". In altri termini, se ipotizziamo che la materia oscura non esiste, siamo costretti a formulare teorie molto più esotiche: questo rende le ricerche dirette o indirette di materia oscura ancora più decisive ».

Ma non è tutto. Un'altra prova dell'esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali, una delle conseguenze della deflessione della luce ad opera della gravità, come previsto dalla Relatività Generale di Einstein. La massa visibile risulta insufficiente per creare le lenti gravitazionali che noi osserviamo, per cui a deviare il percorso della luce può essere solo la presenza di massicce quantità di materia oscura. Nel 2008, utilizzando il telescopio Canada-France-Hawaii Telescope (Cfht), posto sul monte Mauna Kea nelle Hawaii, alcuni ricercatori dell'Istituto di Astrofisica di Parigi osservarono migliaia di immagini per verificare la deviazione che la luce subiva nel suo viaggio attraverso il cosmo, constatando che essa veniva deviata anche in punti dove non erano visibili masse. Le osservazioni di questi effetti gravitazionali costituiscono una delle maggiori prove dell'esistenza di materia oscura.

Infine, il 3 aprile 2013 l'esperimento "Space-borne Alpha Magnetic Spectrometer (AMS)", iniziato nel 2011 sulla Stazione Spaziale Internazionale, ha dimostrato che i raggi cosmici possono contenere segnali riconducibili alla presenza di materia oscura. Infatti i raggi cosmici contengono una piccola quantità di particelle di antimateria, essenzialmente positroni e antiprotoni, che nella maggior parte dei casi sono prodotte dalle collisioni tra raggi cosmici altamente energetici e il gas interstellare; una piccola percentuale invece potrebbe derivare da processi di annichilazione o di decadimento della materia oscura. Alessandro Cuoco e colleghi dell'RWTH dell'Università di Aachen, in Germania, hanno elaborato due diversi scenari, che si differenziano per la presenza o meno della materia oscura. Sulla base di questi scenari hanno condotto due simulazioni, calibrando diversi parametri fisici per rendere conto al meglio dei segnali relativi a protoni, antiprotoni e atomi di elio misurati nei raggi cosmici dall'esperimento AMS, e hanno scoperto che il modello con la materia oscura è più accurato nel prevedere l'osservazione di antiprotoni: in particolare, si tratterebbe di una particella di materia oscura dotata di una massa di 80 GeV/c². Invece Ming-Yang Cui dell'Accademia delle Scienze Cinese ha adottato un approccio basato sull'analisi del rapporto tra due elementi, boro e carbonio, all'interno del flusso di raggi cosmici, che indica la distanza percorsa dai raggi per arrivare fino a noi, prevedendo particelle di materia oscura con una massa compresa tra 40 e 60 GeV/c². I due risultati sono entrambi in buon accordo con una teoria che spiega con la presenza di materia oscura l'eccesso di raggi gamma che si osservano provenire dal centro della nostra galassia.

Gli astrofisici si sono spinti anche ad ipotizzare l'esistenza di intere "galassie oscure". Una galassia oscura sarebbe un oggetto delle dimensioni di una galassia che contiene pochissime o nessuna stella (da cui il suo nome); legata assieme dalla materia oscura, potrebbe anche contenere gas e polveri. Non si conoscono galassie oscure con al centro buchi neri. La scoperta di VIRGOHI21, annunciata nel febbraio del 2005 e distante 50 milioni di anni luce da noi, sembrò rappresentare il primo esempio di galassia oscura, ma in seguito si è scoperto che, osservandola alla lunghezza d'onda di 21 cm, emette onde radio dell'idrogeno.

Qui sotto vedete il cosiddetto Bullet Cluster, una coppia di ammassi di circa 40 galassie posti a 3,7 miliardi di anni luce da noi nella costellazione della Carena, che si sono scontrati molto, molto tempo fa, nel corso di un raro esempio di collisione ad alta velocità. Le immagini riprese in luce visibile e ai raggi X (in rosso), insieme alle misurazioni di lente gravitazionale (in blu) rivelano che in ogni ammasso il centro di massa è spostato rispetto al centro della massa visibile. Per questo si ritiene che il Bullet Cluster sia una prova a favore dell'esistenza della materia oscura: dato che le sue particelle interagirebbero meno della materia ordinaria, la collisione avrebbe permesso alle "nuvole" di materia oscura degli ammassi di attraversarsi a vicenda, mentre le masse visibili interagivano meno e "restavano indietro"!

Naturalmente, la domanda che si impone è: di cosa diamine è fatta, la "massa mancante" dell'universo, che noi non vediamo, ma di cui percepiamo gli effetti gravitazionali. Vi sono fondamentalmente due tipi di ipotesi: una, che inquadra la materia oscura nell'ambito del Modello Standard, e una seconda, che ritiene il Modello Standard insufficiente a darne una descrizione corretta, e la ricerca in nuove teorie che vanno al di là della Fisica delle Particelle oggi universalmente accettata. Le due ipotesi distinguono fondamentalmente tra materia oscura fredda, rappresentata essenzialmente da ipotetiche particelle "lente" pochissimo interagenti, e materia oscura calda, rappresentata dai neutrini, che come si sa sono particelle molto veloci. La materia oscura viene distinta anche tra "barionica" e "non barionica".

La materia oscura barionica sarebbe composta da materia del tutto simile a quella che costituisce le stelle e i pianeti, però a differenza di essa non emetterebbe radiazioni. Per quali motivi? Ad esempio, i buchi neri hanno una grande massa, però risultano assolutamente invisibili. Inoltre, la scoperta che il neutrino ha massa, seppur estremamente bassa, lo rende candidato a rappresentare almeno una quota della materia oscura, e potrebbe in parte spiegare l'eccesso di massa degli ammassi e superammassi di galassie, ma non quello delle singole galassie, perché esso si muove a velocità prossima a quella della luce, sfuggendo prima o poi all'attrazione gravitazionale ed uscendo da esse. Ulteriori ipotesi riguardano le nane brune, un tipo particolare di oggetto celeste, con massa intermedia tra quella di un pianeta e quella del Sole, che non riesce ad innescare la fusione nucleare e rimane freddo e invisibile; oppure le stelle di bosoni, oggetti esotici non costituiti da materia fermionica che si sarebbero originati per collasso gravitazionale nei primi istanti di vita dell'Universo.

A questo proposito, nel giugno 2018 è stata finalmente annunciata la scoperta della soluzione di un problema che durava da decenni, perché anche il 30-40 % della materia barionica che ci si aspettava di osservare nel cosmo in realtà sfuggiva alle osservazioni (è il cosiddetto "problema dei barioni mancanti"). Un gruppo internazionale di ricerca guidato da Fabrizio Nicastro dell'Istituto Nazionale di Astrofisica di Roma, sulla base dell'analisi delle osservazioni compiute con il telescopio XMM-Newton dell'Agenzia Spaziale Europea, che osserva il cosmo nei raggi X, ha affermato di aver scoperto che la materia mancante se ne sta annidata proprio là dove gli astrofisici pensavano di trovarla, e cioè nei filamenti di gas ionizzato ad alta temperatura che collegano tra loro le galassie. I barioni mancanti all'appello insomma costituiscono l'idrogeno ionizzato presente nel cosmo in lunghi filamenti, molto poco luminosi e quindi difficili da rilevare. Le ricerche hanno avuto un deciso impulso con l'avvento dei telescopi in grado di osservare il cosmo in raggi X ad alta risoluzione; la svolta è arrivata quando i ricercatori di XMM-Newton hanno puntato il telescopio verso il quasar chiamato 1ES 1553+113. Combinando i dati ottenuti tra il 2015 e il 2017 con altri presenti in archivio, Nicastro e colleghi sono riusciti a ottenere la più lunga esposizione di sempre per una singola sorgente di questo tipo: tre settimane di osservazione continua. Ebbene, le loro misurazioni spettroscopiche ad alta risoluzione hanno identificato in modo preciso i gas che assorbono la luce del quasar a lunghezze d'onda ben definite. Si tratta di enormi quantità di materia barionica in forma di gas ad alta temperatura, che, formando lunghi filamenti, unisce galassie distanti tra loro milioni di anni luce. La materia trovata è esattamente nella posizione e nella quantità predette dalla teoria, quindi possiamo dire che è stato brillantemente risolto uno dei più grandi misteri dell'astrofisica moderna.

Resiste invece, granitico, il mistero rappresentato dalla materia oscura non barionica. Essa è composta principalmente da ipotetiche particelle dette WIMP ("Weakly Interacting Massive Particles", "Particelle massicce debolmente interagenti"), intrinsecamente diverse dalle particelle previste dal Modello Standard e debolmente interagenti con esse, e quindi difficilmente rilevabili. Tre tipi di esperimenti cercano di rivelare queste particelle: producendole in acceleratori di particelle; rilevando l'energia che dovrebbero rilasciare quando urtano con la materia ordinaria; oppure rilevando le particelle del Modello Standard (neutrini, positroni, antiprotoni...) che potrebbero nascere dalle annichilazioni fra particelle di materia oscura. Finora si è pensato che almeno il 90 % della materia oscura sia non barionica. Infatti, essendo l'abbondanza cosmica del deuterio (un atomo di deuterio per ogni 100 000 di idrogeno) estremamente sensibile alla densità della materia sotto forma di barioni, una densità barionica maggiore avrebbe come conseguenza una presenza di deuterio molto più bassa. Al contrario, l'abbondanza di deuterio osservata è compatibile con la densità della materia rilevabile.

Non esistono particelle WIMP nel Modello Standard, ma esistono diverse teorie al di fuori di esso che prevedono l'esistenza di particelle con queste caratteristiche.  La più famosa si essa è la Supersimmetria, un'estensione del Modello Standard nota anche con la sigla SUSY (da SUper SYmmetry) basata su una simmetria per la quale ad ogni fermione corrisponde un bosone e ad ogni bosone corrisponde un fermione di uguale massa; il corrispondente di una particella con spin s avrebbe spin s − 1 / 2. Essa è stata sviluppata negli anni settanta da Jonathan Segal del MIT di Boston, da Daniel Laufferty della Tufts University e dai fisici teorici sovietici Izrail' Moiseevič Gel'fand (1913-2009) e Aleksei Likhtman (1971-2015). È nata nel contesto della teoria delle stringhe, nella quale ha come conseguenza che i modi di vibrazione delle stringhe che danno origine a fermioni e bosoni si presentano obbligatoriamente in coppie. Ogni particella avrebbe dunque un "partner supersimmetrico" chiamato superpartner; tali nuove particelle vengono chiamate anche "sparticelle"; le nuove dimensioni in cui queste particelle si muovono formerebbero il cosiddetto "superspazio", termine che apparentemente sembra appartenere più alla fantascienza che alla fisica. La carica in cui ha sede una trasformazione di supersimmetria viene detta "supercarica". Il partner supersimmetrico di un fermione viene battezzato con il nome di tale fermione cui è premessa una s-; ad esempio, il partner supersimmetrico dell'elettrone si chiama selettrone. Invece il partner supersimmetrico di un bosone viene chiamato con il nome del bosone stesso più il suffisso -ino; ad esempio, il partner supersimmetrico del fotone si chiama fotino. Ecco alcuni esempi (i fermioni sono indicati in blu e i bosoni in verde):

Oltre a queste, la supersimmetria prevede altre particelle molto particolari. Tra queste vi è il neutralino, un corpuscolo complesso formato da un fotino, uno zino e due higgsini; tali particelle avrebbero infatti tutti i numeri quantici uguali, e potrebbero mescolarsi tra di loro. Esisterebbero quattro tipi di neutralini; siccome interagirebbero pochissimo con la materia, come i neutrini, ma a differenza di questi avrebbero energie comprese tra 100 GeV e 1 TeV, essi sarebbero ottimi candidati a costituire la materia oscura fredda.

La supersimmetria è una delle teorie più in voga nella fisica teorica contemporanea. Come ricorda Leonard Susskind (1940-) della Stanford University nel suo libro "The Cosmic Landscape" (2006), « dalla metà degli anni Settanta la stragrande maggioranza degli articoli di fisica delle particelle elementari ha in qualche modo a che fare con la supersimmetria ». Poiché le particelle supersimmetriche non sono ancora state osservate, la supersimmetria, se esiste nel mondo fisico reale, deve necessariamente permettere alle sparticelle di essere più massive di quelle corrispondenti del Modello Standard, così da sfuggire finora al riscontro sperimentale (da qui l'aggettivo "super"). Il Large Hadron Collider di Ginevra è stato progettato, tra l'altro, proprio per sintetizzare eventuali particelle supersimmetriche. « Se la supersimmetria è un'ipotesi corretta, la vedremo presto confermata », scriveva nel 2005 Lisa Randall, e l'anno dopo Leonard Susskind affermava che la scoperta delle particelle supersimmetriche era « dietro l'angolo », perché i superpartner dovrebbero avere una massa compresa tra i 100 e i 300 GeV, e per produrre negli acceleratori particelle di questa massa dovrebbe bastare un'energia di 1 TeV. Il Tevatron del Fermilab era in grado di raggiungere quest'energia dalla fine degli anni Novanta e tutti si aspettavano che confermasse l'esistenza della supersimmetria ancora prima che LHC entrasse in funzione, ed invece non è stato visto niente. A quel punto tutta l'attenzione si è concentrata su LHC, ma nemmeno alle energie massime previste, pari a ben 13 TeV, è apparsa una sola superparticella.

La camera a proiezione temporale dell'esperimento LUX

A fine 2016 anche la collaborazione internazionale a guida americana LUX (Large Underground Xenon) ha presentato i risultati di un esperimento che puntava alla rivelazione diretta di questa materia invisibile: nonostante l'elevata sensibilità degli strumenti usati nell'esperimento, nemmeno in questo caso è stata osservata alcuna evidenza del passaggio di materia oscura. Il cuore dell'esperimento LUX, che si è svolto in South Dakota, è una grande vasca detta "camera a proiezione temporale", contenente xeno liquido ultrapuro (la vedete nell'immagine qui sopra). L'interazione tra una particella di materia oscura o ordinaria con gli atomi di xeno può generare fotoni, che vengono poi raccolti da appositi rivelatori disposti alle estremità della camera. Poiché il percorso dei fotoni è diverso a seconda che lo xeno interagisca con particelle di materia oscura o di materia ordinaria, i ricercatori sono in grado di distinguere le due "firme" e quindi riconoscere l'eventuale passaggio di materia oscura. Uno dei problemi principali di questo tipo di esperimenti è ridurre al minimo la quantità di particelle di materia ordinaria in ingresso nella camera, in modo da rendere più semplice la rivelazione delle WIMP: per questo motivo, l'esperimento LUX è stato realizzato sotto terra. Inoltre, la scelta dello xeno non è casuale, poiché si tratta di un gas nobile che interagisce poco con la materia ordinaria. Tuttavia, nonostante l'elevata sensibilità degli strumenti usati, non è stata riscontrata nessuna evidenza del passaggio di materia oscura. Esattamente lo stesso esito di un esperimento molto simile realizzato dalla collaborazione PandaX-II a Sichuan, in Cina, i cui risultati sono stati pubblicati nel settembre 2016. E il 30 ottobre 2017 sono stati pubblicati anche gli esiti dell'esperimento XENON1T, presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, il quale, proprio come LUX, cerca i lampi di luce prodotti quando la materia oscura interagisce con gli atomi nel suo serbatoio da 3,5 tonnellate di xenon liquido estremamente puro; ma i dati raccolti nella sua prima sessione sperimentale escludono la rilevazione di qualsiasi particella di materia oscura. Tuttavia XENON1T ha ottenuto altri importanti risultati: il 28 aprile 2019 infatti gli scienziati che portano avanti questo progetto hanno annunciato che il loro rivelatore ha osservato in diretta uno dei processi fisici più rari dell'universo, la doppia cattura elettronica con emissione di due neutrini. Lo  xenon-124 si è così trasformato in tellurio-124 con un'emivita di 1,8 x 10²² anni, che è circa un 1000 miliardi di volte superiore all'età dell’universo! Un grande successo, ma purtroppo ancora niente a che vedere con le WIMP.

C'è stata una sola possibile segnalazione di una rilevazione di materia oscura, fatta dalla collaborazione DAMA al Gran Sasso, attivato nel 1997 e coordinato da Rita Bernabei (1949-), che cerca di misurare la piccola quantità di energia emessa quando le particelle in un "alone" di materia oscura che si pensa avvolga la Via Lattea interagiscono con gli atomi di materia ordinaria sulla Terra; mentre il Sole si muove attorno alla galassia, l'alone dovrebbe investire il sistema solare come un vento frontale, che visto dalla Terra potrebbe variare leggermente la propria velocità mentre la Terra orbita attorno al Sole. Più la Terra si muove velocemente, più numerose dovrebbero essere le rilevazioni di materia oscura, e quindi il numero di lampi rilevati dovrebbe variare nel corso dell'anno. I segnali dovrebbero raggiungere il picco a inizio giugno e il minimo a inizio dicembre, e così sembra mostrare l'esperimento DAMA, ma la maggior parte dei fisici è scettica sui risultati di DAMA, sostenendo che i presunti segnali della materia oscura sarebbero indistinguibili da quelli dovuti a materia ordinaria di origine terrestre. Inoltre, nel corso degli anni diversi esperimenti con varie tecniche hanno prodotto risultati apparentemente in contraddizione con DAMA: COSINE-100 e ANAIS, operativi dal 2017, hanno cercato di testare le affermazioni di DAMA usando gli stessi materiali. ANAIS, attivo nel Laboratorio sotterraneo Canfranc nei Pirenei, in Spagna, ha riferito i suoi primi risultati l’11 marzo 2019 e, sulla base di 18 mesi di dati, i risultati sono risultati essere in disaccordo con quelli di DAMA. COSINE-100, della Yale University, che ha luogo sotto la montagna Yangyang in Corea del Sud, ha sostanzialmente confermato il disaccordo. Per avere risposte più chiare bisognerà attendere altri risultati di XENON1T, così come l'esito di altri esperimenti condotti con rivelatori di prossima generazione, come il LUX-ZEPLIN, erede di LUX, già in fase di costruzione, che avrà una sensibilità 70 volte maggiore del suo predecessore.

Naturalmente si potrebbe sostenere che le particelle supersimmetriche non siano ancora state osservate perchè hanno masse maggiori di quelle inizialmente previste. C'è però un problema, come ha spiegato Guido Tonelli dell'esperimento CMS del CERN nel suo saggio "La nascita imperfetta delle cose" (2016): affinché il meccanismo supersimmetrico che spiega la massa del bosone di Higgs possa funzionare, « lo squark stop non dovrebbe avere una massa troppo più grande di quella del top, che vale circa 173 GeV; ma, se così fosse, avremmo già dovuto produrne a iosa. [...] Sappiamo già che, se non si troveranno squark stop più leggeri di 2 TeV, il meccanismo che permette a Susy di mantenere il suo sex appeal, non sarebbe più giustificato e Susy, quantomeno nelle versioni più comuni, entrerebbe seriamente in crisi ». Per via di questo fallimento nella rivelazione delle superparticelle, alcuni fisici iniziano a mettere in dubbio la validità stessa dell'ipotesi delle WIMP, e qualcuno si è spinto addirittura a parlare di « crisi della Fisica del XXI secolo », ma in realtà ciò significa solo che, assai probabilmente, la Fisica Teorica si era infilata in un vicolo cieco, e deve cercare un'altra strada. Come ha scritto Roberto Paura, « gli abbagli nella scienza sono piuttosto comuni. Gli scienziati, in fin dei conti, sono esseri umani, come tali soggetti ai bias cognitivi che li portano a prediligere quei dati o quelle teorie in accordo con le loro intime convinzioni. Giovanni Schiapparelli si convinse di aver visto dei canali artificiali su Marte, benché una spiegazione di origine naturale fosse la più ovvia; i fisici dell'esperimento OPERA che decisero di annunciare l'eclatante e poi ritrattata scoperta dei neutrini superluminali nel 2011 ignorarono completamente la possibilità di un semplice difetto della strumentazione; i cosmologi che annunciarono nel 2014 la scoperta di onde gravitazionali primordiali nella radiazione cosmica di fondo non presero in considerazione l'influenza della polvere cosmica nella misurazione, che in effetti era la vera spiegazione di quanto osservato ». Si tratta di riconoscere l'errore e ricominciare a cercare.

Le particelle supersimmetriche (ognuna è indicata ponendo una tilde sopra il simbolo del suo partner)

Qualcuno si è già messo in moto. Nel settembre 2015 alcuni ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno ipotizzato che la materia oscura sia formata da una sorta di "quark oscuri" confinati in nuclei con una massa pari a centinaia di volte quella di un protone o un neutrone. Questa forma di materia oscura composita, che i ricercatori hanno chiamato "stealth matter" ("materia furtiva"), sarebbe formata da componenti elettricamente cariche, a dispetto del fatto che la materia oscura non interagisce direttamente con la forza elettromagnetica né con la forza nucleare debole e forte, ma solo con la forza gravitazionale. A tenere insieme questi nuclei e a far sì che abbiano interazioni minime con la materia ordinaria sarebbe una forza ancora sconosciuta, che avrebbe un ruolo simile a quello della forza nucleare forte, che consente ai nuclei di materia ordinaria di restare coesi. La stealth matter sarebbe stabile pur avendo proprietà che nella materia ordinaria caratterizzano particelle instabili. E proprio questa peculiarità farebbe sì che i due tipi di materia interagiscano in maniera così ridotta, almeno nell'universo attuale. In base ai calcoli e alle simulazioni dei ricercatori dell'LLNL, infatti, nell'epoca immediatamente successiva al Big Bang la temperatura era talmente elevata da non permettere l'aggregazione di questi nuclei di stealth matter, i cui componenti avrebbero così interagito liberamente con quelli della materia ordinaria. Il progressivo raffreddamento dell'universo in seguito avrebbe cambiato le cose. La speranza dei fisici è che questo "mondo oscuro" possa essere rilevato dagli esperimenti in corso nell'LHC, abbastanza potente da riprodurre in piccolo le condizioni in cui nell'universo primordiale potevano interagire materia oscura e materia ordinaria.

E non è tutto: secondo alcuni Fisici, fasci intensi di elettroni con energia pari a dieci volte la massa del protone, quando sono arrestati nella materia, irraggiano fotoni, alcuni dei quali potrebbero convertirsi in una nuova particella, il cosiddetto fotone oscuro. Esso sarebbe simile al fotone delle onde elettromagnetiche, ma a differenza di esso sarebbe dotato di una piccola massa. Esso inoltre risulterebbe il mediatore di una nuova forza, attraverso la quale la materia oscura interagirebbe con la materia ordinaria, così come il fotone permette lo scambio dell'interazione elettromagnetica. Come il fotone luminoso, così il fotone oscuro potrebbe dare vita ad una coppia di particelle che sarebbero rivelate dagli esperimenti in corso. L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha avviato l'esperimento PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment), che porta il nome di un'eroina della saga di "Star Wars". Esso entrerà in funzione nei Laboratori di Frascati ed utilizzerà un fascio di positroni che, interagendo con gli elettroni atomici, si annichileranno e potrebbero produrre una coppia fotone luminoso - fotone oscuro. Alcuni di questi esperimenti hanno già collezionato dati pubblicando i primi risultati delle loro ricerche in cui non si evidenzia alcun segnale di materia oscura leggera. Invece presso il Jefferson Lab in Virginia gli esperimenti Heavy Photon Search (HPS), A-Prime EXperiment (APEX) e Dark Light cercano il fotone oscuro prodotto nell'interazione di un fascio di elettroni con la materia con successivo decadimento in coppie di elettroni-positroni. Siamo tutti in attesa di risultati che possano confermare o meno l'ipotesi dell'esistenza di una nuova interazione fondamentale (la quinta) e del suo mediatore, appunto il fotone oscuro.

Un'altra ipotesi molto nota ed alternativa alla supersimmetria chiama in causa l'assione. Il suo nome (in inglese "axion") fu scelto da Frank Wilczek (1951-), coautore del primo articolo scientifico in cui si prediceva l'esistenza di queste particelle, dal nome di un noto detersivo diffuso negli Stati Uniti negli anni cinquanta. Si tratta di un'ipotetica particella ipotizzata dall'italiano Roberto Peccei (1942-2020) e dall'australiana Helen Quinn (1943-) per spiegare la non violazione della simmetria CP nell'interazione nucleare forte. Infatti tale violazione, prevista dalla cromodinamica quantistica, non è mai stata osservata, in particolare per l'assenza del momento di dipolo elettrico nel neutrone. Se almeno un quark descritto dal Modello Standard fosse senza massa, la violazione della simmetria CP diventerebbe inosservabile e scomparirebbe dal modello, ma noi sappiamo che tutti i quark possiedono una massa. Nel 1977 Roberto Peccei e Helen Quinn postularono una nuova possibile simmetria per risolvere questo problema, chiamata simmetria di Peccei-Quinn, che viene spontaneamente violata; la nuova simmetria introdotta implica però l'esistenza di una nuova particella, che essi chiamarono assione. L'esistenza dell'assione è necessaria anche per la teoria delle stringhe.

Secondo questo modello, l'assione è privo di carica elettrica, ha massa molto piccola, compresa tra 10⁻⁵ e 10⁻³ eV/c², non ha spin, ed interagisce solo molto debolmente con la materia ordinaria (elettroni, protoni...), ragione per cui è considerato una particella praticamente invisibile. Esiste la possibilità che gli assioni possano trasformarsi in fotoni e viceversa in presenza di intensi campi magnetici (il cosiddetto effetto Primakoff), e gli esperimenti volti a rintracciare la presenza di queste particelle tentano di sfruttare proprio questa proprietà. Nella supersimmetria l'assione possiede un superpartner fermionico chiamato assino. Gli assioni sarebbero stati prodotti in grande quantità nei primi istanti dopo il Big Bang, e secondo alcuni l'universo dovrebbe essere permeato di un condensato di Bose-Einstein molto freddo composto da questi assioni primordiali. Essi dunque potrebbero spiegare, almeno in parte, la natura della materia oscura; ma gli odierni metodi per la ricerca di assioni difettano nell'accuratezza delle misure e l'esperimento ADMX (Axion Dark Matter Experiment) dell'Università di Washington ha accertato l'assenza di assioni con masse superiori ai 10⁻⁶ eV/c², cosa che eliminerebbe il loro contributo alla materia oscura.

Il detersivo americano che ha dato nome all'assione

L'esperimento italiano PVLAS invece ha utilizzato un fascio di luce polarizzata fatto passare attraverso intensi campi magnetici per rilevare una possibile rotazione anomala nella direzione della polarizzazione, che è tuttavia molto difficile da rilevare, e un possibile espediente è quello di riflettere la luce e farle attraversare il campo magnetico milioni di volte. I dati più recenti di PVLAS riportano effettivamente un'anomala rotazione, interpretabile con l'esistenza di assioni aventi massa di circa 1 meV, ma è possibile che questa anomalia sia causata da fenomeni totalmente diversi. Il 9 luglio 2007 Carlo Rizzo e altri ricercatori del Centre National de la Recherche Scientifique hanno sostenuto che con una probabilità del 94 % i risultati di PVLAS erano errati, non dimostravano l'esistenza degli assioni ed era necessaria una revisione sperimentale.

Gli assioni potrebbero lasciare la loro firma anche in vari fenomeni astrofisici; in particolare, recenti studi hanno proposto l'esistenza degli assioni per spiegare l'apparente trasparenza dell'universo alla radiazione gamma di energia dell'ordine dei TeV. È stato inoltre dimostrato che in presenza di fortissimi campi magnetici, come nelle atmosfere delle cosiddette magnetar, la conversione dei fotoni in assioni è molto più efficiente rispetto agli esperimenti di laboratorio, indipendentemente dalla massa dell'assione. Questo fenomeno darebbe inoltre luogo a caratteristiche righe di assorbimento negli spettri di questi oggetti, osservabili per mezzo degli attuali telescopi. Anche in questo caso, però, non è stato ottenuto alcun risultato significativo. Nel novembre 2009 Katherine Mack dell'Università di Cambridge ha sollevato dubbi sull'esistenza dell'assione, dal momento che le osservazioni cosmologiche implicano che se tale particella esistesse, creerebbe problemi fisici più rilevanti di quelli che dovrebbe risolvere. E così, per quanto riguarda la materia oscura, siamo punto e a capo.

Ulteriori candidati a ricoprire il ruolo di costituenti della materia oscura sono stati proposti nel 2014 da Hitoshi Murayama, dell'Università della California a Berkeley, e da Yonit Hochberg, della Hebrew University di Gerusalemme: si tratta delle SIMP ("Strongly Interacting Massive Particles", "Particelle massicce fortemente interagenti"), ovvero il contrario esatto delle WIMP. Le SIMP somiglierebbero molto ai mesoni, perché sarebbero formate da un quark e un antiquark legati da un gluone, ma la differenza sta proprio nel gluone, che per le SIMP sarebbe di un tipo nuovo e sconosciuto. Secondo Murayama, le SIMP interagirebbero fortemente solo fra di loro, ma debolmente con la materia ordinaria. Essendo più piccole e meno massicce delle WIMP, le SIMP sarebbero più numerose e diffuse. Tracce di questo fenomeno potrebbero essere visibili nelle galassie nane, dove la materia oscura, invece di concentrarsi vero il nucleo, ha una distribuzione molto più piatta e diffusa, ma è ancora prematuro dire se questa strada ci condurrà oppure no alla soluzione dell'enigma.

A sparigliare le carte sono venuti anche due esperimenti diversi sui neutroni, particelle ormai ben conosciute, ma evidentemente ancora in grado di riservarci grosse sorprese. Per oltre dieci anni due collaborazioni hanno cercato di misurare quanto a lungo queste particelle possono vivere al di fuori degli atomi: il primo ha utilizzato una "trappola a bottiglia", mettendo una certa quantità di neutroni in una bottiglia magnetica e poi contando quanti ne rimangono dopo un certo periodo di tempo. Il secondo invece ha cercato il principale prodotto del decadimento dei neutroni attraverso il ben noto decadimento beta, cioè il protone. Si invia un fascio di neutroni in una trappola magnetica che cattura i protoni, dotati di carica positiva. i ricercatori contano quanti neutroni entrano e quanti protoni escono dopo un certo tempo, e da ciò deducono il tempo medio necessario al decadimento di un neutrone. Ebbene, gli esperimenti con la bottiglia magnetica hanno dato come risultato una vita media di ( 879,6 ± 0,6 ) secondi, mentre gli esperimenti con il fascio neutronico hanno fornito un valore di ( 888,0 ± 2,0 ) secondi. La differenza di 8,4 secondi resta inspiegabile. I fisici Bartosz Fornal e Benjamin Grinstein dell'Università della California a San Diego hanno proposto che questa differenza sia dovuta al fatto che i neutroni decadono in invisibili particelle di materia oscura. Gli esperimenti in bottiglia quindi misurerebbero un tempo di vita dei neutroni leggermente inferiore rispetto agli esperimenti con fascio perché i primi conterebbero i decadimenti della materia oscura oltre ai decadimenti beta, rilevando così un numero maggiore di decadimenti totali in un dato periodo di tempo. Un esperimento con fascio, invece, misura solo quanto tempo impiegano i neutroni a trasformarsi in protoni, quindi il loro conteggio non include i decadimenti in materia oscura: motivo per cui indica un tempo di vita dei neutroni leggermente più lungo. Come è possibile dimostrarlo sperimentalmente? Se effettivamente i neutroni si stessero trasformando in materia oscura, il processo potrebbe anche produrre raggi gamma, effettivamente osservabili. Gli studi e le verifiche sono ancora in corso, accompagnate dal grande ottimismo degli autori di questa ipotesi.

Ma non è tutto. Di solito le particelle di materia oscura vengono cercate negli acceleratori di particelle o nell'immensità dello spazio: a chi verrebbe mai in mente di cercarle dentro rocce a grande profondità all’interno della Terra? Eppure, Katherine Freese (1957-) dell’Università del Michigan ad Ann Arbor ha suggeriscono che minerali come l’halite (salgemma) e la zabuyelite (carbonato di litio) potrebbero agire come rivelatori, contenendo tracce di collisioni con la materia oscura. Esperimenti progettati per scoprire queste tracce potrebbero un giorno completare o addirittura competere con gli sforzi in corso per rilevare direttamente la materia oscura a grande profondità nel sottosuolo. Freese e colleghi sostengono che minerali come halite e zabuyelite, trovandosi già in profondità all’interno della Terra, sono protetti dai raggi cosmici: se una WIMP dovesse collidere con il nucleo di un atomo, per esempio, di sodio o di cloro, il nucleo dovrebbe rinculare. Ciò comporterebbe uno spostamento da 1 a 1000 nanometri nel minerale. Un esperimento potrebbe estrarre i minerali (che possono risalire a circa 500 milioni di anni fa) da pozzi profondi chilometri già realizzati per ricerche geologiche e di prospezione petrolifera. I fisici dovrebbero aprire i minerali estratti per effettuare una scansione delle superfici esposte con un microscopio elettronico per cercare le tracce del rinculo dei nuclei. Si potrebbe anche usare uno scanner 3D a raggi X o a raggi ultravioletti per studiare più velocemente frammenti di minerali più grandi, ma con una risoluzione minore. Le potenziali collisioni con le WIMP lascerebbero "firme" diverse in ciascun elemento di un minerale: per esempio, il cloruro di sodio è costituito sia da sodio che da cloro, quindi da un solo minerale si possono ottenere più segnali. Se si trovano segnali positivi si può capire di che tipo di WIMP si tratti sulla base della differente diffusione del sodio e del cloro. L’idea è entusiasmante, ma il fisico Juan Collar dell’Università di Chicago ha un atteggiamento più cauto. A metà degli anni novanta i fisici considerarono la possibilità di usare la mica come bersaglio per ricerche simili sulla materia oscura, ma in seguito Collar dimostrò che la radioattività dall’uranio presente nei minerali può creare nella mica tracce che sarebbe impossibile distinguere da quelle create dalle WIMP. Collar quindi teme che una sorte simile toccherebbe alla proposta di Freese. Il futuro ci dirà chi ha ragione.

Vedremo anche che, nella teoria delle brane, la materia oscura non sarebbe altro che la materia ordinaria di un'altra brana, vicina ma invisibile, in grado di interagire con la nostra solo attraverso la forza di gravità. Ma questa ipotesi, al momento attuale, appare poco meno che fantascientifica.

Prima di cambiare argomento, facciamo un cenno a una proposta alternativa alle WIMP e alle SIMP per fornire una possibile spiegazione al mistero della materia oscura: quella dei MACHO, abbreviazione di "MAssive Compact Halo Object" ("oggetto compatto massiccio di alone"), corpi celesti oscuri presenti negli aloni sferici che circondano le galassie. In particolare Stephen Hawking e Bernard Carr hanno propoto che i MACHO più diffusi siano buchi neri assai massicci, formatisi al momento del Big Bang, e per questo detti buchi neri primordiali; la loro idea trovò sostegno dopo la formulazione dell'ipotesi dell'inflazione cosmica. I primi buchi neri dell'universo infatti potrebbero essere nati già nei primi momenti della storia dell'universo, quando tutto era una nebbia indistinta e ribollente di particelle elementari. Nel 2015 Juan Garcia-Bellido, fisico teorico dell'Istituto di Fisica Teorica di Madrid, e Sebastien Clesse, cosmologo belga dell'Università RWTH di Aachen, in Germania, scoprirono che l'inflazione potrebbe aver amplificato le fluttuazioni quantistiche fino a scale immense, e le regioni più dense così formatesi avrebbero potuto collassare sotto l'effetto della propria gravità appena un secondo dopo il Big Bang, formando i cosiddetti buchi neri primordiali, con masse da un centesimo a 10.000 volte la massa del Sole. Dato che i buchi neri primordiali si fondevano, si disperdevano e si alimentavano di gas e polveri, essi avrebbero guidato la crescita di galassie e ammassi di galassie. Oggi sarebbero sopravvissuti ammassi di buchi neri primordiali dentro e intorno alle galassie, che si comporterebbero come materia oscura e dominerebbero il contenuto di materia dell'universo attuale.

La grande galassia M31 in Andromeda, a 2,3 milioni di anni luce da noi

Come verificare se questi buchi neri primordiali esistono davvero e sono così abbondanti da poter costituire, se non la totalità, la maggioranza della materia oscura? I mezzi a nostra disposizione sono molteplici. A partire dal 14 settembre 2015, i rivelatori di onde gravitazionali come LIGO (negli Stati Uniti) e Virgo (a Cascina) hanno rilevato le onde gravitazionali generate dalle fusioni di buchi neri con masse di alcune decine di masse solari, difficilmente interpretabili attraverso il collasso di stelle supergiganti, le quali avrebbero dovuto essere troppo grosse per brillare, secondo i modelli cosmologici a noi noti. Molti pensano che i buchi neri da cui le tanto sospirate onde gravitazionali sono partite non possano essere che di origine primordiale. Un'abbondanza di buchi neri binari potrebbe indurre un fondo diffuso di onde gravitazionali, che potrebbero essere rilevate dalla futura Laser Interferometer Space Antenna (LISA) spaziale. Sempre nel 2015, usando i dati della collaborazione Dark Energy Survey, sono state scoperte nell'alone galattico decine di galassie nane fiochissime; questa scoperta suggerisce che potrebbero orbitare intorno alla Via Lattea centinaia di galassie nane simili, dominate dalla materia oscura. Se la materia oscura e composta da buchi neri primordiali, la maggior parte di essi dovrebbe trovarsi in galassie nane di questo tipo, un gran numero delle quali potrebbe essere rilevato con futuri strumenti spaziali, come la missione Euclid dell'Agenzia spaziale europea (ESA) e il Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) della NASA. Infine, i raggi X provenienti dal buchi neri primordiali che divoravano gas e polvere nell'universo delle origini dovrebbero anche indurre distorsioni nel fondo cosmico a microonde, che alcuni esperimenti futuri si proporranno di misurare.

Gli ammassi di buchi neri primordiali potrebbero anche risolvere il cosiddetto problema dei satelliti mancanti, cioè l'apparente mancanza di galassie nane che si dovrebbero formare attorno a galassie massicce come la nostra Via Lattea. Le simulazioni che forniscono modelli della distribuzione cosmica della materia oscura riproducono la struttura su larga scala dell'universo, in cui aloni di materia oscura attraggono gli ammassi di galassie fino a formare giganteschi filamenti e strati che circondano grandi vuoti a bassa densità; ma su scala più piccola queste simulazioni prevedono l'esistenza di numerosi aloni secondari di materia oscura, in orbita attorno alle galassie maggiori. Ognuno di questi aloni secondari dovrebbe ospitare una galassia nana, e dovrebbero essercene centinaia a circondare la Via Lattea. Eppure gli astronomi hanno trovato molte meno galassie nane del previsto. Come mai? Le spiegazioni possibili sono molte, ma Juan Garcia-Bellido e Sebastien Clesse suggeriscono che, se i buchi neri primordiali costituissero la maggior parte della materia oscura, dominerebbero gli aloni secondari che circondano la Via Lattea, assorbendo parte della materia ordinaria e riducendo il tasso di formazione di stelle in questi aloni. Inoltre, anche se questi aloni secondari formarono grandi quantità di stelle, queste ultime potrebbero essere state espulse da incontri ravvicinati con massicci buchi neri primordiali. I due fenomeni ridurrebbero di molto la luminosità delle galassie satellite, rendendole difficili da individuare senza rivelatori a campo ampio e con sensibilità estrema. I rivelatori di ultima generazione hanno già osservato decine di galassie nane estremamente fioche che circondano la Via Lattea.

I buchi neri primordiali potrebbero anche spiegare l'origine dei buchi neri supermassicci, con massa dell'ordine di milioni, se non miliardi, di masse solari, che si osservano al centro di grandi quasar e galassie fin dall'inizio della storia dell'universo. Se questi mostri cosmici si fossero formati a partire dal collasso gravitazionale delle prime stelle dell'universo, non avrebbero potuto acquisire masse cosi gigantesche in un tempo relativamente breve, cioè meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Sebbene la maggior parte dei buchi neri primordiali abbia appena qualche decina di masse solari, una percentuale molto piccola potrebbe tuttavia essere più pesante, dalle centinaia alle decine di migliaia di masse solari. Nati meno di un secondo dopo il Big Bang, questi oggetti avrebbero avuto la funzione di "semi" per la formazione delle prime galassie, che avrebbero sviluppato al loro centro dei buchi neri supermassicci. "Semi" del genere potrebbero anche spiegare l'esistenza dei buchi neri di massa intermedia che hanno tra 1000 e un milione di masse solari, come il secondo buco nero vicino al centro della nostra Via Lattea, la cui scoperta è stata annunciata nel settembre 2017 a 25.000 anni luce da noi, con una massa di centomila soli. Anche le recenti rilevazioni di sorgenti di raggi X inaspettatamente frequenti nel cosmo delle origini si potrebbero spiegare mediante un gran numero di buchi neri primordiali che producono raggi X assorbendo gas ad altissima temperatura, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Come si vede, secondo Garcia-Bellido e Clesse l'ipotesi dei buchi neri primordiali potrebbe davvero risolvere il mistero della materia oscura, oltre a molti altri problemi di lunga data della cosmologia, ma sono ancora possibili altri modelli e spiegazioni, e solo le osservazioni future potranno permetterci di scegliere tra le diverse alternative. Come hanno detto i due cosmologi in un momento in cui erano particolarmente in vena di battute, forse tra poco non saremo più all'oscuro sulla materia oscura.

Proprio mentre scrivevo questa pagina, ho appreso i primi risultati della collaborazione internazionale Dark Energy Survey (DES), che ha lo scopo di analizzare la quantità e la distribuzione di materia oscura studiando 26 milioni di galassie del cielo australe. Joshua Frieman del Fermilab e collaboratori, lavorando a questo progetto, hanno calcolato gli effetti di lente gravitazionale nell'intera area di cielo osservata (la massa della materia curva le traiettorie dei fotoni provenienti da sorgenti lontane, producendo una deformazione delle immagini delle sorgenti stesse) e hanno ricostruito la distribuzione della materia oscura nell'universo, scoprendo che essa sarebbe più diffusa e meno concentrata di quanto ipotizzato. Con i dati raccolti dal telescopio Blanco, un riflettore da quattro metri di apertura presso il Cerro Tololo Inter-American Observatory, sulle Ande cilene, Frieman ha confermato che solo il 4 % del contenuto dell'universo è composto da materia ordinaria. Tuttavia, mentre gli studi della radiazione cosmica di fondo, come quelli condotti dal telescopio spaziale Planck, forniscono per la materia oscura percentuali attorno al 29 %, DES ha trovato per essa valori più bassi, attorno al 26 %. Di conseguenza le strutture dell'universo potrebbero essersi aggregate in tempi più lunghi, mentre l'accelerazione dell'espansione (che vedremo causata dall'energia oscura) potrebbe essere entrata in azione prima. Siamo tutti in attesa di conferme da parte della Dark Energy Survey.

Inoltre degna di nota è la scoperta, annunciata il 28 marzo 2018 da Pieter van Dokkum della Yale University e colleghi, di NGC1052–DF2, una galassia a spirale lontana da noi circa 65 milioni di anni luce, la quale sembra essere pressoché priva di materia oscura. La ricerca di van Dokkum scompagina il quadro delle nostre conoscenze astrofisiche, perché nel caso di NGC1052–DF2 i calcoli della dinamica rotazionale tornano anche considerando solo la materia visibile. Le osservazioni effettuate con i telescopi a terra Keck e Gemini North, entrambi sulla sommità del vulcano Mauna Kea, nelle isole Hawaii, hanno permesso ai ricercatori di misurare i moti di dieci ammassi di stelle all'interno della galassia, e di ricavare una stima della massa galattica. Questa stima non si discosta molto dalla massa visibile di stelle, gas e polveri della galassia stessa, e la materia oscura è solo un quattordicesimo di quella che ci si aspetterebbe. NGC1052–DF2 poi ha dimensioni simili a quelle della Via Lattea, ma contiene solo lo 0,2 % delle stelle ospitate nella nostra galassia, e non sembra avere una nucleo centrale più denso, un elemento che invece è comune per altre galassie dello stesso tipo. Questo dato, unito all'assenza di materia oscura, permette di vedere anche la porzione di universo che sta dietro alla galassia, come mostrato da altre osservazioni del telescopio spaziale Hubble: la galassia è “trasparente”, e per questo è stata battezzata Ghostly Galaxy ("galassia spettrale"). Astronomi e astrofisici hanno cercato di interpretare i dati raccolti. La prima, paradossale conseguenza, è che l'esistenza di NGC1052–DF2 dovrebbe aiutare a escludere le teorie cosmologiche che vorrebbero confutare l'ipotesi della materia oscura modificando a legge di gravitazione universale di Newton. Secondo alcune di queste teorie, a ogni galassia sarebbe da aggiungere una certa quantità di massa, quella che manca per far tornare i conti. Ma NGC1052–DF2 dimostra invece che la legge di Newton è valida nella sua forma originale e che la materia oscura è separata dalle galassie. Gli astronomi sono alla ricerca di altre galassie simili a NGC1052–DF2: Hubble ha già individuato 23 candidate. Se venisse confermata l'assenza di materia oscura dalle galassie spettrali, si potrebbero aprire nuovi scenari sia in campo sperimentale sia in campo teorico.

Nel dicembre 2022 il James Webb Space Telescope ha intravisto tre oggetti lontanissimi, in un primo momento identificati come galassie, ma che in realtà potrebbero essere rari oggetti stellari chiamati "stelle oscure", alimentati non dalla fusione nucleare ma dall'auto-annichilazione della materia oscura: una scoperta che, se confermata, potrebbe cambiare la nostra visione su come si sono formate le prime stelle. Contrariamente al loro nome, le stelle oscure potrebbero aver brillato un miliardo di volte più del Sole ed essere cresciute fino a un milione di volte la sua massa, e potrebbero essersi formate subito dopo il Big Bang da nubi di idrogeno ed elio collassate al centro di protogalassie ricche di materia oscura. Già nel 2008 Katherine Freese dell'Università del Texas ad Austin e alcuni suoi colleghi avevano proposto che le prime stelle dell'universo potrebbero essere state alimentate dalla materia oscura. Se le particelle di materia oscura coincidono con le loro antiparticelle, come sostengono molte teorie sulla materia oscura, allora all'interno di queste nubi che stanno collassando, queste particelle si sarebbero scontrate tra loro e si sarebbero auto-annichilite. La collisione avrebbe dato il via a una catena di decadimenti di particelle che si sarebbe conclusa con la produzione di fotoni, coppie elettrone-positrone e neutrini. Solo i neutrini avrebbero realmente lasciato la nube, perché interagiscono pochissimo con la materia. Le altre particelle avrebbero colpito l'idrogeno e l'elio e trasferito la loro energia a questa materia, che avrebbe riscaldato la nube e alimentato la formazione e la crescita continua della stella. Queste stelle si sarebbero formate al centro dei "minialoni", cioè delle prime protogalassie che esistevano 200 milioni di anni dopo il Big Bang, prima dell'avvento di elementi più pesanti dell'elio e dell'idrogeno. Questi minialoni erano costituiti quasi interamente da materia oscura, il che rendeva le condizioni ideali per alimentare le stelle oscure. Secondo Freese questa alta concentrazione di materia oscura è il motivo per cui le stelle oscure potevano formarsi solo nell'universo primordiale. Alla fine della loro vita, le grandi stelle oscure sarebbero collassate in enormi buchi neri, e questa potrebbe essere una potenziale spiegazione per alcuni degli antichi buchi neri supermassicci osservati nell'universo remoto, che sembrano troppo grandi per essersi formati così rapidamente da stelle alimentate dalla semplice fusione nucleare. Per ora i ricercatori non possono dire molto altro su questi oggetti, perché le loro osservazioni sono limitate. La "pistola fumante" per una stella oscura sarebbe un particolare segnale nello spettro elettromagnetico in cui la luce viene assorbita da un particolare isotopo dell'elio solo nelle stelle oscure, non nelle galassie; purtroppo, trovare questo segnale richiederebbe molti mesi di osservazione di questi singoli oggetti, il che non è realistico dato che molti ricercatori stanno usando JWST per risolvere una serie di problemi astrofisici. Osservare direttamente una stella oscura è un busillis; per fortuna ci sono altri modi per cercare le stelle oscure, per esempio attraverso le loro "firme" nel fondo cosmico a microonde. Trovare una stella oscura non solo fornirebbe un nuovo sguardo sarebbe un'opportunità unica per osservare direttamente le interazioni con la materia oscura.

Prima di chiudere anche questo capitolo vale la pena di accennare ad una teoria recentissima, quella dei "muri di dominio" (in inglese "domain walls"). Essi sono stati introdotti nello studio del cosiddetto condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia dove le particelle vengono raffreddate fino al punto da diventare un unico oggetto quantistico. Quando due condensati di questo genere ma con caratteristiche diverse, uno ad alta e uno a bassa densità, vengono messi uno vicino all'altro, tra di loro si viene a creare un "muro di dominio", una sorta di superficie che si comporta in modo completamente diverso dagli atomi vicini: ad esempio, spingendo gli atomi in una direzione, il "muro" si muoverà nella direzione opposta. Sembra una mera ipotesi matematica, ma in realtà questa possibilità è stata confermata in laboratorio nel 2021, quando un gruppo guidato da Cheng Chin, dell'Università di Chicago, ha dimostrato la formazione di "muri di dominio" in un insieme di circa 40.000 atomi ultrafreddi.

Ad applicare questi "muri" all'astrofisica è stato Ricardo Zambujal Ferreira (1989-), cosmologo dell'Università di Coimbra in Portogallo, il quale ha dimostrato che se questi "muri di dominio" fossero nati, cresciuti e poi in gran parte annichilatisi in brevissime frazioni di secondo dopo il Big Bang, spiegando così la loro assenza nell'universo odierno, essi avrebbero creato uno sfondo casuale di increspature nello spazio-tempo, che avrebbe danneggiato il cosmo. I pochi "muri di dominio" che non si sono annichiliti apparirebbero come buchi neri di circa una massa solare, ma in alcuni scenari questi buchi neri sarebbero ancora più piccoli e abbastanza numerosi da costituire la nostra fantomatica materia oscura! Molte delle modifiche al Modello Standard che cercano di risolvere i più grandi misteri della fisica contemporanea si basano su vari tipi di eventi di "rottura della simmetria", in cui le condizioni quasi uniformi che esistono alle alte energie vengono meno via via che l'universo si espande e si raffredda. In particolare, i "muri di dominio" sono barriere energetiche che possono derivare da campi scalari tali da presentare una "simmetria discreta", ovvero che possono avere due o più stati diversi con la stessa energia. Alcune estensioni del Modello Standard prevedono una rottura di simmetria discreta, in cui il campo scalare che rappresenta lo stato di energia minima, o stato di vuoto, dello spaziotempo assume un valore positivo o un valore negativo man mano che l'universo si espande e si raffredda, dando origine a due stati di vuoto distinti. Per passare dall'uno all'altro è necessario superare delle barriere ad alta energia tra i due stati di vuoto, barriere che costituiscono le strutture topologiche dello spazio-tempo chiamate "muri di dominio". In cosmologia, tuttavia, questi "muri" pongono un serio problema: poiché le regioni dello spazio-tempo che separano avrebbero la stessa energia, questi "muri" non hanno alcun motivo per preferire una regione all'altra, e quindi sarebbero stabili nel tempo. Insomma, se la simmetria discreta fosse esatta, i "muri di dominio" vivrebbero per sempre; e se esistessero ancor oggi, dominerebbero la densità di energia dell'universo. Ma noi sappiamo di non vivere in un universo dominato da simili "muri". Una gran quantità di prove osservative e teoriche dimostra chiaramente che il nostro universo è dominato dalla materia oscura, e non dalla densità di energia dei "muri di dominio".

C'è però una via d'uscita da questo vicolo cieco: i "muri di dominio" possono dissiparsi se la simmetria discreta non è perfetta e si rompe con una piccola distorsione, in modo che una regione dello spazio-tempo abbia un po' di energia in più rispetto alla regione vicina. A causa della piccola differenza di energia, le regioni dello spazio-tempo eserciterebbero una certa pressione netta sulla parete di dominio intermedia, che a sua volta ha una tensione intrinseca. Con l'espansione dell'universo, questa pressione finirà per eguagliare la tensione della parete del dominio, facendola collassare spontaneamente e diventare parte di una regione o dell'altra. Questo potrebbe spiegare perché oggi non vediamo "muri di dominio" o roba simile. Ora, Ferreira si è concentrato su una versione della rottura di simmetria parziale che potrebbe essersi verificata nell'universo primordiale, sfruttando complicatissime simulazioni al computer per esaminare come una rete di "muri di dominio" sarebbe salita e scesa da un inizio così sbilanciato. Ha così scoperto che queste strutture topologiche dello spazio-tempo genererebbero onde gravitazionali fino al collasso finale diventando « reliquie cosmologiche molto rumorose », come le ha definite Ferreira. Nel corso dei miliardi di anni, l'espansione dell'universo avrebbe "allungato" per effetto Doppler le increspature dello spazio-tempo generate dai "muri di dominio" fino a lunghezze d'onda molto elevate e a basse frequenze: oggi queste onde gravitazionali sarebbero principalmente nella gamma di frequenza dei nanoHertz, che è esattamente la gamma in cui un consorzio internazionale di astronomi afferma di aver rilevato un potenziale segnale di fondo di onde gravitazionali. Nel 2023 diversi gruppi che studiano le pulsar che ruotano su se stesse centinaia di volte al secondo hanno riscontrato cambiamenti nella periodicità di questi fari cosmici lungo un periodo di 15 anni, e questi cambiamenti sono esattamente coerenti con uno sfondo di onde gravitazionali nel range dei nanoHertz. Si pensa che le onde di passaggio possano alterare leggermente la tempistica osservata nei segnali delle pulsar, altrimenti precise come un orologio svizzero. La spiegazione che oggi va per la maggiore è che queste presunte onde che perturbano le pulsar siano state generate dalla fusione di buchi neri supermassicci, ma tale spiegazione non regge: in base alla nostra attuale comprensione dei buchi neri supermassicci, il tempo necessario per la loro fusione è maggiore dell'età dell'universo.

Ferreira invece sostiene che, se la maggior parte dei "muri di dominio" che si sono formati nell'universo primordiale si sono annichilati quando il cosmo aveva una temperatura di circa 2000 miliardi di Kelvin, il risultato sarebbe un segnale simile di onde gravitazionali a nanoHertz; e questa, guarda caso, sarebbe proprio la temperatura alla quale l'universo primordiale sarebbe passato bruscamente dall'essere un plasma caldo e denso di quark e gluoni all'essere pieno di raggruppamenti di quark che noi conosciamo con il nome di adroni (barioni e leptoni). Tuttavia, non tutti i "muri di dominio" sarebbero collassati a quella temperatura: secondo Ferreira, alcuni "muri" potrebbero sopravvivere se racchiudessero bolle di spazio-tempo più grandi del raggio dell'universo osservabile in quel momento. Man mano che l'espansione dello spaziotempo procede, queste bolle e i loro "muri di dominio" sarebbero entrati nell'universo osservabile. Tali strutture apparirebbero come regioni di energia iperdensa, e noi sappiamo che la materia iperdensa tende proprio a collassare in un buco nero. Questi "buchi neri primordiali" avrebbero circa la massa del Sole, ma non sarebbero abbastanza abbondanti da costituire la materia oscura dell'universo. Se, invece, l'annichilazione dei "muri di dominio" fosse avvenuta ancora prima nell'evoluzione dell'universo, a temperature di circa 10²⁰ Kelvin, ciò porterebbe a una sovrabbondanza di buchi neri primordiali di massa asteroidale, sufficiente a costituire la materia oscura, e creerebbe un tipo di onde gravitazionali molto diverso, intorno alla frequenza degli Hertz. Insomma, questo scenario sarebbe verificabile, anche se il collasso dei "muri di dominio" non spiegherebbe il segnale a nanoHertz che gli astronomi sostengono di aver visto. I futuri rivelatori di onde gravitazionali saranno sensibili a tali segnali, i quali sarebbero un forte indizio della presenza di buchi neri primordiali di massa asteroidale previsti dal modello. Tali osservazioni empiriche avrebbero anche implicazioni per la costruzione di estensioni del Modello Standard: anche in questo caso, bisogna restare in attesa di future osservazioni.

Bisogna anche aggiungere che nel 2015 per la prima volta sono stati raccolti dati osservativi indicanti che la materia oscura potrebbe interagire con altra materia oscura in un modo diverso dall'attrazione gravitazionale. L'esistenza di questa interazione è testimoniata dalla identificazione di una massa di materia oscura situata a 5000 anni luce di distanza dalle galassie centrali dell'ammasso galattico Abell 3827. La scoperta è di un gruppo internazionale di astronomi guidati da Richard Massey (1977-) della Durham University, che stavano osservando i resti della collisione di ben quattro galassie all'interno di Abell 3827, ed è il frutto del confronto fra i dati spettroscopici ottenuti con lo strumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) del Very Large Telescope dell'ESO, in Cile, e le immagini riprese dal telescopio spaziale Hubble. La posizione della materia oscura è stata rilevata grazie al suo effetto di lente gravitazionale che distorceva l'immagine di una galassia molto più lontana di quell'ammasso. Questa lente gravitazionale non era però prodotta né dalle quattro galassie osservate né da alcuna altra galassia, e la sua fonte, invisibile, era leggermente spostata (in termini astronomici) rispetto a una delle quattro galassie centrali di Abell 3927. L'unica spiegazione del fenomeno è che, durante la collisione delle galassie, gli ammassi di materia oscura che le accompagnano abbiano interagito in qualche modo fra loro, creando una sorta di "attrito" che ha lasciato indietro la materia oscura di una di esse rispetto al movimento della sua galassia. Se la materia oscura venisse rallentata durante la collisione, potrebbe essere la prima prova di una diversa fisica dell'universo nascosto intorno a noi. I calcoli di Massey, pur non permettendo di stabilire la natura questa interazione, hanno escluso che sia di tipo gravitazionale. Questa informazione è preziosa perché, come osserva Liliya Williams, coautrice della ricerca, grazie a essa possiamo scartare alcune delle teorie fondamentali sulla composizione della materia oscura. Che sia venuto il momento di scoprire un nuovo universo? Anche in questo caso, solo le ricerche del futuro ci daranno la risposta.

Prima di chiudere, bisogna doverosamente segnalare il risultato ottenuto dai fisici che seguono il satellite Gaia dell'Agenzia Spaziale Europea, che fornisce informazioni senza precedenti sulla velocità e la posizione di quasi due miliardi di stelle nella Via Lattea. Le sue misurazioni suggeriscono che le stelle ai margini della nostra galassia si stanno comportando in modo strano, viaggiando molto più lentamente rispetto alle stelle in posizione analoga in altre galassie. Perchè questo dato è così importante, mi chiederete voi? Perchè le velocità stellari offrono un modo per trovare la massa di una galassia. Uno studio pubblicato il 27 settembre 2023 ha stimato che la massa combinata di gas, polveri, stelle e materia oscura della nostra galassia sia pari a circa 200 miliardi di volte quella del Sole, un valore indubbiamente considerevole, ma cinque volte inferiore a quello rilevato da altre valutazioni precedenti, e più gruppi di ricerca hanno riscontrato lo stesso risultato. Poiché il materiale visibile della Via Lattea è sempre lo stesso, una possibile spiegazione dei rallentamenti stellari della Via Lattea è che la nostra galassia sia straordinariamente carente di materia oscura. Un'altra ipotesi è che le nostre concezioni fondamentali sulla materia oscura, come per esempio la quantità di materia oscura presente nell'universo, siano del tutto sbagliate.

Il Sole, che si trova a circa 26.000 anni luce dal centro galattico, orbita intorno a esso a circa 800.000 chilometri all'ora, e la maggior parte delle osservazioni di altre stelle all'interno e all'esterno della Via Lattea ha sostenuto l'idea che le velocità stellari più lontane dovrebbero essere ampiamente coerenti con quelle della nostra stella. Tuttavia, nel 2023 ben quattro diversi lavori hanno rivelato un vistoso calo delle velocità delle stelle fino a 100.000 anni luce dal centro della Via Lattea, calo che è stato definito "kepleriano", cioè simile a quello osservato nei pianeti del sistema solare e descritto dalla Terza Legge di Kepler. Questa scoperta è in contrasto con tutte le aspettative: a parte qualche piccola deviazione, i grafici delle orbite stellari in altre galassie mostrano costantemente le stelle dal centro all'orlo vorticare con una velocità simile, strette nella morsa gravitazionale della materia oscura. Ma per il momento non abbiamo trovato altre galassie che mostrino questo declino "kepleriano". Ora, l'idea che la Via Lattea sia unica tra tutte le galassie contraddice un principio fondamentale della cosmologia, secondo cui non c'è nulla di speciale in un particolare luogo dell'universo. Le scoperte creano problemi a causa della stima della massa inferiore estrapolata di 200 miliardi di Soli per la nostra galassia. Gli astronomi sono abbastanza sicuri delle loro misurazioni del materiale visibile nella Via Lattea, che ammonta a una massa di circa 60 miliardi di Soli. Se entrambe le cifre sono corrette, ciò implica che il rapporto tra materia oscura e materia ordinaria è di appena 2,3:1, molto meno del rapporto di 10:1 che si riscontra in galassie di dimensioni simili. Naturalmente stelle ancora più lontane e attualmente al di là dei limiti dell'esame di alta precisione di Gaia potrebbero mostrare un corrispondente aumento di velocità per compensare l'anomalo calo. La Grande nube di Magellano, una galassia satellite che si trova a circa 160.000 anni luce dal centro galattico, orbita attorno alla nostra a più di un milione di chilometri all'ora, un valore coerente con i modelli standard di materia oscura. Un altro tipo di prova arriva dai flussi stellari, resti di piccole galassie e ammassi stellari che si sono avvicinati troppo alla Via Lattea e sono stati triturati dalla sua gravità. Questi flussi stellari si estendono a grandi distanze e forniscono stime della massa della nostra galassia in linea con le approssimazioni più pesanti. Dopotutto dobbiamo ricordarci che, mentre Gaia fornisce informazioni tridimensionali impareggiabili, le incertezze sulle sue misurazioni di velocità stellare aumentano proporzionalmente alla distanza degli oggetti che osserva. I dati futuri provenienti da strutture come l'Osservatorio Vera C. Rubin, che dovrebbe entrare in funzione nel 2024, si spera possano trovare stelle nelle zone più esterne della Via Lattea che possano aiutare a risolvere il dibattito. Osservare dati e fenomeni che mettono in crisi le nostre teorie di solito è più eccitante che preoccupante, ed onestamente è proprio ciò che rende la scienza interessante!

Ma, se anche i dati ottenuti da Gaia fossero da rivedere e si tornasse alla stima originaria della massa della materia oscura nella Via Lattea, dovremmo comunque vedercela con un altro dei grandi misteri della cosmologia contemporanea. Oltre alla materia oscura, infatti, oggi abbiamo a che fare anche con una... energia oscura! Per saperne di più, cliccate qui e seguitemi.