C'è, ma non possiamo vederla. Il mistero della "materia oscura"

Diverse email che abbiamo ricevuto ci chiedevano di spiegare cosa fosse la materia oscura. Eccoci qui allora a parlare di quella che costituisce l'85% della materia presente nel nostro Universo, di gran lunga il tipo di materia più diffuso nel cosmo. Questa affermazione, dopo due articoli spesi dicendo che "lo stato della materia più comune è il plasma" potrebbe, giustamente, spiazzarvi e confondervi. Se spulciate i due pezzi precedenti, tuttavia, noterete che in realtà abbiamo definito il plasma il più comune stato della materia "ordinaria". Proprio questo aggettivo, passato volutamente in sordina, ci consente oggi di introdurre la materia oscura, "dark matter" in inglese.

Cerchiamo di andare in ordine, partendo da un esempio. Immaginiamo di avere una scatola rivestita al suo interno di un bel velluto nero e riempita di palline. Ne misuriamo il peso, sottraiamo la tara, ovvero il peso della scatola, e troviamo così il peso totale del suo contenuto che ammonta a 100 grammi. Aprendo la scatola ecco la sorpresa: all'interno troviamo 15 delle nostre palline preferite, palline gialle di cui conosciamo quasi tutto, tra cui il fatto che pesano 1 grammo l’una. In totale, quindi, nella scatola ci sono 15 grammi di palline. "Come è possibile?", vi chiederete: se il contenuto pesava 100 grammi, che fine hanno fatto gli 85 grammi che mancano all’appello?

La prima possibilità è che la nostra misura iniziale di peso sia falsata da una bilancia difettosa. Ripetiamo allora la misura con diverse bilance, magari più precise, o con diversi metodi. Ma la misura è confermata: 100 grammi di contenuto. Un'altra ipotesi è che potremmo non conoscere con precisione il peso delle nostre palline preferite, studiate e ri-studiate negli anni. Possibile? Forse sì, anche se improbabile. E comunque è praticamente impossibile che possano pesare così tanto in più da giustificare quegli 85 grammi mancanti.

Mentre ci grattiamo la testa per venire a capo dell'enigma ci ritroviamo a scuotere la scatola aperta come un setaccio. Le palline gialle, ovviamente, si muovono, si scontrano tra di loro e rimbalzano sulle pareti. Ma accade anche qualcosa di strano: a volte cambiano direzione "dal nulla", come se rimbalzassero contro palline nere che si mimetizzano perfettamente nel velluto della nostra scatola. Ed è proprio questo particolare che ci consiglia l'ipotesi che può rsiolvere l'enigma: gli 85 grammi mancanti sarebbero il peso delle palline che non possiamo vedere e che chiameremo "palline oscure".

Ora, con le dovute complicazioni del caso, usiamo questo esempio per capire come funziona la realtà. La scatola è il nostro Universo osservabile e le palline gialle sono invece la materia ordinaria presente in esso: stelle, galassie, pianeti, nubi interstellari, ecc. In altre parole, tutta la materia che vediamo e di cui - come abbiamo detto - lo stato di plasma è quello più comune (leggi qui). Bene. Con esperimenti piuttosto complessi, molto più che usare una semplice bilancia, siamo in grado stimare quanta materia dovrebbe essere presente nel cosmo (per la precisione la densità totale di materia nell’Universo) e quanta siamo in grado di vederne: come nel caso della scatola, i nostri strumenti sono in grado di misurare solo il 15% del totale della materia dell'Universo. Il restante 85% è invisibile ai nostri strumenti. Come nel caso della scatola, allora, ipotizziamo la presenza di nuovo tipo di materia: la materia oscura.

Vi chiederete: perché non riusciamo a vederla? Il motivo è che, contrariamente alla materia ordinaria, questa sembra non interagire con la radiazione elettromagnetica: cioè non emette e non assorbe luce. Allo stesso tempo, tuttavia, è influenzata ed influenza con la sua massa la forza di gravità e quindi possiamo vederne gli effetti osservando alcune anomalie nel comportamento della materia ordinaria.

Nel nostro esempio della scatola, abbiamo ipotizzato la presenza delle palline oscure osservando il comportamento delle palline gialle che rimbalzano in maniera anomala. Nel caso della materia ordinaria nell’Universo, l’esempio di anomalia osservata più famoso, oltre che storicamente il primo ad essere scoperto, è la cosiddetta "anomalia nelle velocità di rotazione delle galassie". Le galassie sono enormi ammassi di stelle, le quali ruotano intorno al buco nero che ne occupa il centro. Girano da miliardi di anni ad una velocità che dipende dalla loro distanza dal centro stesso. Da un punto di vista teorico, questa dipendenza può essere calcolata ipotizzando che la forza centrifuga, che tende a far scappare le stelle per la tangente, sia controbilanciata dall'attrazione gravitazionale, che le tira invece verso il centro. Il risultato è che la velocità di rotazione aumenta via via che ci si allontana dal centro, raggiunge un massimo, e poi comincia a diminuire di nuovo (vedi il video qui sopra). Tuttavia, gli strumenti degli astronomi misurano che in realtà le stelle alla periferia della galassia si muovono a velocità molto più alte di quelle predette dalla teoria. Come è possibile? È sbagliata la teoria o sono errate le misurazioni? Probabilmente, nessuna delle due opzioni. Osservazioni e teoria, infatti, tornano a coincidere se nel calcolo dell’attrazione gravitazionale che tira le stelle verso il centro viene ipotizzato il contributo dovuto a un nuovo tipo di materia invisibile e sconosciuta che costituisce l'85% della materia totale: cioè la materia oscura.

Cosa sia esattamente questa materia oscura, e se la sua esistenza sia l’unico modo per “far tornare i conti”, rimangono temi ancora oggi dibattuti. Insieme alla scomparsa dell'antimateria (ne abbiamo parlato qui), alla gravità quantistica (accennata qui), e altre che avremo modo di affrontare nei prossimi articoli, queste domande costituiscono i grandi problemi irrisolti della fisica contemporanea.

Noi intanto vi diamo appuntamento a domenica prossima dove cercheremo di presentare alcune delle ipotesi più interessanti per far luce sulla natura della materia oscura.

Vuoi che un articolo tratti un tema che ti interessa? Scrivi a spaziocurvo@ilgiornale-web.it

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*Foto: Rappresentazione artistica della distribuzione di materia oscura prevista intorno alla Via Lattea, crediti: ESO/L. Calçada (https://www.eso.org/public/italy/images/eso1217a/?lang)

Questa rappresentazione artistica mostra la Via Lattea. L'alone blu di materia che circonda la galassia indica la distribuzione prevista per la misteriosa materia oscura, inizialmente introdotta dagli astronomi per spiegare le proprietà di rotazione delle galassie e ora anche ingrediente essenziale nelle attuali teorie di formazione ed evoluzione delle galassie.

Nuove misure mostrano che la quantità di materia oscura in una vasta regione intorno al Sole è molto più piccola del previsto e indicano che nelle nostra vicinanze non si vede nessuna quantità significativa di materia oscura.