Idee sulla materia scura

È passato quasi un secolo da quando negli anni ‘30 un astronomo di origine svizzera, Fritz Zwicky, utilizzò per la prima volta il termine “materia scura”, quell’enigmatica componente che costituisce circa un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo e che finora sfugge a qualsiasi spiegazione scientifica. I fisici possono misurare i suoi effetti gravitazionali sul moto delle galassie e degli altri oggetti celesti ma ciò di cui è fatta rimane ancora un mistero. Per arrivare ad una soluzione, gli scienziati hanno introdotto diverse ipotesi e un modo univoco per ognuna di esse allo scopo di rivelare le particelle che la compongono. Alcune idee sono emerse a seguito di una serie di tentativi per risolvere altri problemi di fisica fondamentale, altre stanno spingendo i limiti della nostra conoscenza verso ciò che si ritiene possa essere, o non essere, in definitiva la materia scura. Dunque, la domanda è: cosa potrebbe essere la materia scura? Vediamo qui di seguito un breve stato dell’arte sulle particelle maggiormente candidate.

Pubblicità

Il ‘quarto’ neutrino rimane elusivo

Il gruppo internazionale formato da 200 ricercatori che lavorano all’esperimento sull’oscillazione dei neutrini, noto come Daya Bay Collaboration, hanno pubblicato i primi risultati sulla ricerca di una particolare particella, detta neutrino “sterile”, che potrebbe rappresentare un possibile ‘quarto’ tipo di neutrino al di là dei tre neutrini già noti. L’esistenza di questa ipotetica particella, se provata, avrebbe un profondo impatto sulla nostra comprensione dell’Universo e potrebbe influenzare la progettazione dei futuri esperimenti sui neutrini. Tuttavia, i risultati, pubblicati sulla rivista Physical Review Letters, non mostrano alcuna evidenza di neutrini “sterili” almeno in un intervallo di massa che non sia stato precedentemente esplorato.

I ‘sapori’ della materia scura

Secondo i dati più recenti, sappiamo che oltre l’80% della materia presente nell’Universo è sconosciuta. Ad essa, gli astronomi danno il nome di materia scura che finora nessuno è mai stato in grado di rivelarla nemmeno con i migliori rivelatori a terra. Nonostante ciò, l’unica risorsa che ci permette di determinare la sua presenza è data dalle osservazioni astronomiche. Oggi, però, il fisico Mikhail Medvedev della University of Kansas ha pubblicato un importante articolo di ricerca che si è meritato la copertina della prestigiosa rivista Physical Review Letters. Lo scienziato propone un modello alternativo che tenta di spiegare la natura dell’enigmatica materia scura denominato “flavor-mixed multicomponent dark matter model”.

Un mistero nell’ammasso di Perseo

L’Universo è un posto pieno di misteri e di recente, l’osservatorio spaziale Chandra ne ha rivelato un’altro che, a prima vista, non può essere spiegato dalle leggi della fisica note. Stiamo parlando dell’ammasso di Perseo situato a circa 250 milioni di anni-luce uno degli oggetti più massicci dell’Universo. L’ammasso si trova immerso in una sorta di enorme “atmosfera di plasma” ad alta temperatura ed è lì dove risiede il mistero.

Osservata una riga di emissione ‘sconosciuta’ negli ammassi di galassie

Nell’immagine dell’ammasso di Perseo sono riportati, in basso a sinistra, i dati relativi all’intensità del flusso X in funzione dell’energia. Il segnale “misterioso” è indicato da un cerchio ed è centrato attorno al valore di 3.56 KeV. (Credit: Chandra: NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al.; XMM: ESA)

Una serie di osservazioni realizzate con l’osservatorio spaziale Chandra dell’ammasso di Perseo hanno permesso agli astronomi di trovare un segnale interessante nella banda X. Il segnale è presente anche nei dati di altri 70 ammassi di galassie che sono stati osservati con il satellite XMM-Newton. In particolare, si tratta di una riga di emissione di alta energia, cioè uno “spike” centrato attorno al valore di 3,56 KeV che richiederà ulteriori analisi per capire quale sia la sua natura.

Il mistero dei neutrini ‘sterili’

Secondo la rivista Science, il gruppo di ricercatori del Virginia Tech, che fanno parte di una collaborazione internazionale assieme ai colleghi degli Stati Uniti e della Cina, sono stati nominati per aver ottenuto uno dei risultati scientifici più importanti del 2012.

I ricercatori, che hanno eseguito una serie di esperimenti presso il complesso di Daya Bay in Cina, hanno scoperto la terza ed ultima delle proprietà note dei neutrini relativa alla loro oscillazione e denominata tecnicamente neutrino mixing angle. La scoperta è stata considerata una tra le nove più significative perché ha permesso di contribuire alla rivelazione del bosone scalare (post). Adesso, questi risultati potrebbero aprire una nuova finestra nel campo della fisica fondamentale. Sappiamo che il Modello Standard che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari e di tre interazioni fondamentali è alquanto corretto e qualsiasi fenomenologia osservata sembra in accordo con quanto previsto dal modello. Ma nella fisica del neutrino potrebbe saltare fuori qualcosa di nuovo perché, ad esempio, pare che esistano delle evidenze sperimentali di un quarto tipo di neutrino e, forse, ce ne sono altri (post). Infatti, alcuni esperimenti che sono stati condotti presso il reattore nucleare di Daya Bay suggeriscono che la quantità di neutrini prodotti è circa il 6% inferiore a quanto ci si aspetta dai calcoli. Ciò potrebbe essere interpretato come una evidenza dell’esistenza di altri neutrini che si “mescolano”, per così dire, con gli altri tre noti. In modo ironico potremmo anche dire che dallo studio delle particelle più piccole si apre un altro mondo verso la ricerca di un quarto neutrino grazie alle osservazioni spaziali che vengono realizzate dagli astronomi per esplorare l’Universo su larga scala. Infatti, durante le epoche primordiali, lo spazio cosmico era opaco e riempito da un plasma di particelle cariche attraverso il quale nemmeno la luce era in grado di passare. Man mano che l’Universo andava espandendosi e raffreddandosi, gli elettroni e i protoni si accoppiarono e circa 370 mila anni dopo il Big Bang, lo spazio divenne trasparente. Analizzando la radiazione cosmica di fondo, gli astronomi hanno ottenuto tantissime informazioni e tra queste anche quelle relative al numero di particelle in essa presenti. Andando a “contare” quante particelle esistono simili ai neutrini, gli astronomi hanno trovato che questo numero è più consistente con 4 anziché con 3. Dunque, se ciò è vero allora questa extra particella potrebbe non essere un neutrino oppure potrebbe trattarsi di un’altra particella di luce sconosciuta. Però, se si trova che si tratta effettivamente di un neutrino, quasi certamente non sarà un membro del Modello Standard e, cosa ancora più interessante, non si comporterà come gli altri tre neutrini: stiamo parlando del cosiddetto neutrino sterile. L’importanza di questa particella è molteplice e potrebbe riempire tante pagine bianche relative a questioni che riguardano, ad esempio, gli istanti iniziali della storia cosmica, la natura della materia ed il problema di alcune anomalie osservate. Questo campo della ricerca della fisica delle particelle è ricco di varie teorie e modelli che tentano di spiegare il concetto dei neutrini sterili. In tal senso, alcuni fisici sono convinti che, se esistono, quei neutrini sterili che hanno una massa leggermente superiore potrebbero spiegare il mistero della materia scura.

Virginia Tech: Top scientific breakthrough opens door to understanding universe

Virginia Tech: A big discovery in the study of neutrinos, tiny particles that have a big role in the universe

HyperGeometrical Universe Theory: Sterile Neutrinos

arXiv: Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay 

Le 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna

La cosmologia studia l’Universo ma allo stesso tempo essa rappresenta una delle discipline più creative e bizzarre della scienza. I cosmologi spesso si ‘divertono’ ad introdurre delle ipotesi, modelli e teorie fantastiche e suggestive, nella maggior parte dei casi non verificabili sperimentalmente, che tentano comunque di dare una spiegazione scientifica sull’origine dell’Universo. Vediamo allora qui di seguito una breve presentazione delle 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna.

1. Brane in collisione

Il nostro Universo potrebbe essere racchiuso in una sorta di gigantesca membrana che fluttua in uno spazio multidimensionale e che ciclicamente va in rotta di collisione con la membrana di un universo parallelo? Secondo il modello del ‘mondo-brana’ della teoria delle stringhe, esistono altre dimensioni spaziali extra dello spazio che sono solamente raggiungibili dai gravitoni mentre noi siamo confinati nel nostro universo-brana caratterizzato dalle tre dimensioni a cui siamo abituati. Neil Turok dell’Università di Cambridge e Paul Steinhardt dell’Università di Princeton hanno provato a spiegare il Big Bang come conseguenza della collisione di due brane. Queste collisioni si ripetono e danno luogo ad un nuovo ‘big bang’ perciò, se il modello ciciclo è corretto, il nostro Universo e gli altri universi potrebbero essere eterni (vedasi Idee sull’Universo).

2. Universi che evolvono

Quando la materia viene compressa fino a raggiungere densità estreme al centro di un buco nero, essa può rimbalzare all’indietro e dar luogo ad un ‘nuovo universo neonato’. Qui, le leggi della fisica potrebbero essere differenti rispetto a quelle dell’universo da cui si origina e ciò determina una sorta di evoluzione di universi, una idea suggerita da Lee Smolin del Perimeter Institute. Gli universi in cui esistono tanti buchi neri produrranno tanti universi neonati e alla fine essi saranno la popolazione dominante del multiverso. Se poi viviamo in un universo tale da possedere leggi e costanti fisiche che ottimizzano la produzione dei buchi neri, questa rimane una domanda aperta.

3. Uno spaziotempo superfluido

Una delle teorie più avanzate della moderna cosmologia suggerisce che lo spaziotempo è in definitiva una sostanza superfluida che ‘scorre’, per così dire, con una viscosità nulla. Dunque, se l’Universo è dotato di un moto di rotazione, allora lo spaziotempo superfluido dovrebbe essere caratterizzato da vortici, secondo Pawel Mazur dell’Università della Carolina del Sud e George Chapline del Lawrence Livermore Laboratories. Questi vortici rappresenterebbero quei ‘siti cosmici’ dove si sono formate le prime strutture che hanno successivamente dato luogo alla formazione delle galassie. Mazur suggerisce che il nostro Universo sarebbe nato dal collasso gravitazionale di una stella dove la combinazione della materia stellare con lo spazio superfluido avrebbero dato luogo all’energia scura, quella misteriosa forza che sta causando una accelerazione all’espansione dell’Universo.

4. Il ‘nostro’ Universo

Perché il nostro Universo possiede le “giuste” leggi della fisica da permettere l’esistenza della vita? Se le costanti fisiche fossero poche non avremmo più stelle, o materia o e, forse, l’Universo durerebbe solo un battito di ciglia. Una risposta a questa domanda è il principio antropico: in altre parole, l’Universo che vediamo deve ospitare la vita altrimenti noi non saremmo qui ad osservarlo. Di recente, questa idea ha avuto molti consensi perché il modello dell’inflazione cosmica suggerisce che dovrebbero esistere una infinità di universi là fuori e la teoria delle stringhe indica che questi infiniti universi devono essere caratterizzati da altrettante infinite leggi fisiche. Bisogna, però, dire che molti cosmologi non accettano il principio cosmologico perchè da un lato non si tratta di vera e propria scienza e dall’altro non fornisce  previsioni che possono essere verificate sperimentalmente.

5. Una questione di gravità

La materia scura potrebbe non essere in definitiva una sostanza fisica ma legata ad un diverso comportamento della forza di gravità. La teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), proposta da Mordehai Milgrom, suggerisce che la gravità non diventa più debole con l’aumentare della distanza così come vuole la legge della gravitazione universale. Questa sorta di ‘gravità potente’ potrebbe sostituirsi alla materia scura che tiene unite le galassie e gli ammassi di galassie visto che altrimenti si disperderebbero nello spazio. Una nuova formulazione della teoria MOND, consistente con le osservazioni, ha raccolto vari consensi da parte degli scienziati nonostante non descriva alcune proprietà della radiazione cosmica di fondo.

6. Un ‘fantasma’ cosmico

Tre misteri della cosmologia moderna potrebbero essere considerati come un tutt’uno. Dopo la revisione della teoria della relatività generale, un gruppo di fisici hanno trovato una strana sostanza che emerge dalla loro teoria: il cosiddetto “condensato fantasma”. Questa sostanza è in grado di produrre una forza gravitazionale repulsiva che guida, per così dire, l’inflazione cosmica per poi generare una accelerazione dello spazio che viene attribuita all’energia scura. In più, se questa sostanza si aggrega può formare la materia scura (vedasi Enigmi Astrofisici).

7. Un ‘piccolo’ universo

La mappa a ‘spot’ della radiazione cosmica di fondo presenta una peculiarità sorprendente: ci sono pochi ‘spot’ di grande dimensione. Una possibile spiegazione è data dal fatto che l’Universo potrebbe essere ‘piccolo’, così piccolo che, tornando all’epoca in cui si è originata la radiazione cosmica, non è stato in grado di trattenere, per così dire, questi enormi ‘blob’. Se ciò è vero, questo vuol dire che lo spazio si deve essere ‘riavvolto’, in qualche modo, su se stesso. Ma l’ipotesi più strana è che l’Universo abbia una forma a imbuto. La curvatura dello spazio piegata all’indietro potrebbe determinare la forma geometrica degli spot di piccole dimensioni facendogli assumere forme più ellittiche come quelle ossevate.

8. Più veloci della luce

Come mai regioni opposte dell’Universo mostrano lo stesso aspetto? E’ un vero e proprio enigma dato che le regioni più distanti dell’Universo osservabile oggi non dovrebbero essere state mai in contatto tra loro. Anche se andiamo all’inizio del tempo quando queste aree di cielo si trovavano molto vicine tra loro, si pensa che non ci sia stato abbastanza tempo per cui la luce, o forse qualcosa d’altro che ignoriamo, abbia viaggiato da una regione all’altra. E questo discorso vale anche per la distribuzione della temperatura e della densità. Si pensa che una soluzione è che la luce si sia propagata molto più velocemente, anche se per ammettere una tale ipotesi dovremmo rovesciare la teoria della relatività.

9. Neutrini sterili  

La materia scura potrebbe essere costituita dalle particelle più elusive che siano mai state immaginate: i neutrini sterili. Si tratta di particelle ipotetiche, più pesanti, insomma una specie di cugini dei normali neutrini che dovrebbero interagire con la materia solo attraverso effetti di tipo gravitazionale, un processo che li rende essenzialmente difficili da rivelare. Nonostante ciò, i neutrini sterili potrebbero avere le giuste proprietà per formare la cosiddetta materia scura “tiepida” e muoversi con velocità dell’ordine di qualche chilometro al secondo. Queste particelle esotiche potrebbero poi aiutare, per così dire, la formazione delle stelle e dei buchi neri nell’Universo primordiale e potrebbero essere la causa che spinge le stelle di neutroni a girovagare attorno alla nostra galassia.

10. Come nel film..Matrix 

Forse, il nostro Universo non è reale. Il filosofo Nick Bostrom ha suggerito una ipotesi in base alla quale noi viviamo all’interno di una simulazione creata al computer. Insomma, gli universi sarebbero delle simulazioni e dunque noi siamo abbastanza fortunati a vivere all’interno di una di esse. Ma allora, tutte le stranezze cosmologiche, come la materia scura o l’energia scura, sono semplicemente degli artefatti creati apposta per mascherare alcune inconsistenze che sono presenti nella simulazione.

More info: New Scientist