Quello che la fisica non vede

Pubblicato da Francesco il

Quello che la fisica non vede

Quando puntiamo lo sguardo tra le stelle e proviamo a farci un’idea di quanta materia ci sia nell’Universo manca qualcosa: quello che osserviamo non va tanto d’accordo con i nostri modelli fisici che spiegano il funzionamento del cosmo.

Le osservazioni cosmologiche della materia presente nell’Universo ci dicono che solo poco più dell’1% di questa è composta da stelle e, considerando anche la materia interstellare o non immediatamente visibile, la percentuale sale a circa il 13%. Ma allora dov’è tutto il resto della materia che ci aspettiamo ci sia per i fenomeni che vediamo nell’Universo?

Se infatti la materia fosse tutta qui sarebbe stata impossibile la formazione delle galassie o delle strutture ancora più grandi come gli ammassi di galassie e tanti dati sperimentali raccolti non riuscirebbero ad avere una spiegazione. Molti infatti sono gli indizi che ci fanno credere che ci debba essere qualcosa in più che non riusciamo a osservare.
Per esempio, quando osserviamo l’andamento della velocità di rotazione delle galassie dal loro centro alla periferia ci aspetteremmo che questa segua un andamento ben specifico, arrivando ad un massimo e poi decrescendo raggiunte grandi distanze dal centro; tuttavia, anziché decrescere all’aumentare della distanza, questa rimane costante, e quello che quindi si deve assumere è che ci sia della materia che non riusciamo a vedere proprio concentrata nelle regioni periferiche delle galassie che tenga legata la materia alla galassia senza farla schizzare via.

Un altro esempio è dato dagli ammassi di galassie, in cui, se non ci fosse della materia che non riusciamo ad osservare, il gas caldo interstellare presente sarebbe fuoriuscito dall’ammasso già da molto tempo.

Ma da cosa è composta la materia oscura? E perché non riusciamo a rivelarla? Per la materia nota, quella che si studia un po’ anche al liceo come nel caso di protoni e neutroni, assieme a tutti i parenti che compongono la famiglia dei barioni (ovvero le particelle composte da quarks), parte della teoria della particelle che spiega un po’ tutto a livello atomico e subatomico detta “Modello Standard”, ormai si hanno tante tecniche per poterla osservare in diversi contesti e principalmente è facile da “vedere” in quanto interagisce con tutto ciò che ci circonda. Questa materia però non riesce a spiegare tutti quei fenomeni che vediamo a livello astrofisico per cui non abbiamo tracce dirette.

Diverse ipotesi si sono fatte nell’ultimo secolo che potessero andare a colmare questo vuoto decisamente grande nella comprensione dell’Universo.  Un’ipotesi sulla natura della materia oscura è che possa essere composta da neutrini, una particella molto leggera e molto evasiva che interagisce pochissimo con la materia ordinaria, che conosciamo abbastanza bene (ma non quanto vorremmo, infatti la loro massa ancora ci è ignota). Il problema del neutrino è che per quello che sappiamo oggi dovrebbe avere una massa troppo piccola rispetto a quella che ci aspettiamo per il candidato principale per la materia oscura.  Un’altra possibilità, su cui si sta concentrando parte degli esperimenti come quelli presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), è che questa sia composta da particelle con grande massa ma debolmente interagenti (WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles); in particolare si pensa possano avere una massa grande più di trenta volte quella del protone e un possibile metodo per rivelarle sarebbe quello di vedere un loro urto elastico con un nucleo di un atomo. Ma la difficoltà sta nel fatto che nell’intervallo di energie in cui ciò dovrebbe essere visibile avvengono naturalmente tanti altri eventi che creano un rumore di fondo da cui sarebbe estremamente difficile distinguerli.  Un’altra possibilità sarebbe vederli indirettamente, ma non sapendo bene come siano fatti è difficile anche stimare quale possano essere i risultati di altri tipi di interazione con la materia. Infine, un altro tipo di candidato che potrebbe comporre parte della materia oscura sono i cosiddetti MACHOs (MAssive Compact Halo Objects), ovvero oggetti astrofisici massivi che non emettono direttamente radiazione rilevabile, come, ad esempio, buchi neri, stelle di neutroni e nane brune. Tuttavia il loro essere compatti non spiegherebbe gli effetti diffusi della materia oscura che vediamo nelle galassie, per cui si pensa possano costituirne solo una minima percentuale. La ricerca della materia oscura rimane quindi una delle maggiori sfide della fisica moderna, che lascia domande aperte sia nel campo dell’astrofisica e sia in quello della fisica delle particelle elementari.  Ma non finisce mica qui.  Infatti la cosmologia ci dice che tutto ciò, sia materia ordinaria che materia oscura, componga solo il 30% di tutta l’energia presente nell’Universo. E il resto dov’è?  Beh, questa domanda è il caso di lasciarla per un prossimo articolo.  Se volete approfondire, l’articolo di oggi è stato scritto basandosi su:  B. Ryden (2006) – Introduction to Cosmology J. Rich (2001) – Fundamentals of Cosmology
Categorie: Fisica