Materia oscura ed energia oscura: i grandi enigmi dell’Universo

Introduzione

L’Universo è un luogo di straordinaria complessità e meraviglia, un immenso teatro cosmico che ha affascinato l’umanità fin dall’alba della civiltà. Le stelle, le galassie e i pianeti che possiamo osservare rappresentano solo una minima parte di ciò che realmente esiste. Grazie alle scoperte scientifiche degli ultimi decenni, abbiamo appreso che la materia visibile – quella che compone noi stessi, la Terra e tutto ciò che riusciamo a percepire con i nostri strumenti – costituisce solo circa il 5% dell’intero contenuto dell’Universo. Il restante 95% è costituito da due entità ancora avvolte nel mistero: la materia oscura e l’energia oscura.

La materia oscura: l’invisibile che tiene unite le galassie

Cos’è la materia oscura?

La materia oscura rappresenta circa il 27% dell’Universo ed è una forma di materia che non interagisce con la luce, rendendola del tutto invisibile. La sua presenza, tuttavia, è deducibile dagli effetti gravitazionali che esercita sulla materia visibile, come le stelle e le galassie.

Le prove dell’esistenza della materia oscura

Le prove dell'esistenza della materia oscura si basano su una serie di osservazioni astronomiche e astrofisiche che non possono essere spiegate solo dalla materia visibile. Ecco alcune delle principali evidenze:

• Curve di rotazione delle galassie: Le stelle nelle galassie ruotano attorno al loro centro, e secondo le leggi della gravità, la velocità di rotazione dovrebbe diminuire man mano che ci si allontana dal centro. Tuttavia, le osservazioni mostrano che la velocità di rotazione rimane costante anche nelle regioni più periferiche delle galassie. Questo suggerisce la presenza di una massa invisibile che fornisce la gravità necessaria per mantenere le stelle in movimento, e questa massa è identificata come materia oscura.
• Lente gravitazionale: Quando la luce proveniente da una galassia lontana passa vicino a un oggetto massiccio, come una galassia o un ammasso di galassie, la luce viene distorta dalla gravità di quell'oggetto, un fenomeno noto come lente gravitazionale. Le osservazioni mostrano che la quantità di distorsione è maggiore di quella che ci si aspetterebbe dalla materia visibile. Ciò indica che c'è una massa invisibile, che si pensa sia materia oscura, che contribuisce alla distorsione gravitazionale.

Un immagine semplificativa di come avvengono le lenti gravitazionali

• Distribuzione delle galassie negli ammassi: Gli ammassi di galassie mostrano un comportamento che non può essere spiegato solo con la materia visibile. Le galassie all'interno di un ammasso si muovono molto più velocemente di quanto ci si aspetterebbe se tutta la massa fosse visibile. La velocità elevata implica la presenza di una massa aggiuntiva, non osservabile, che tiene insieme l'ammasso. Questa massa invisibile è attribuita alla materia oscura.
• Radiazione cosmica di fondo (CMB): Le misurazioni della radiazione cosmica di fondo, che è la radiazione residua dal Big Bang, forniscono informazioni cruciali sulla composizione dell'universo. Le osservazioni indicano che la materia visibile rappresenta solo una piccola frazione della densità totale dell'universo, mentre una parte significativa della materia è composta da materia oscura.
• Simulazioni cosmologiche: Le simulazioni al computer della formazione delle strutture cosmiche, come galassie e ammassi di galassie, richiedono l'inclusione di materia oscura per riprodurre correttamente le osservazioni delle distribuzioni di galassie e della loro evoluzione. Senza materia oscura, le simulazioni non riescono a spiegare la distribuzione osservata di galassie nell'universo.

In sintesi, la materia oscura non può essere osservata direttamente, ma la sua esistenza è suggerita da effetti gravitazionali su oggetti visibili, e la sua presenza è cruciale per spiegare molte caratteristiche dell'universo osservato.

Ipotesi sulla natura della materia oscura

Gli scienziati ipotizzano che la materia oscura possa essere composta da particelle ancora sconosciute, come i WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) o gli axioni, che potrebbero essere rilevati in esperimenti futuri.

L’energia oscura: la forza che accelera l’espansione dell’Universo

La scoperta dell’energia oscura

Fino alla fine del XX secolo, gli scienziati pensavano che, dopo il Big Bang, l’espansione dell’Universo fosse destinata a rallentare a causa della forza gravitazionale della materia. Tuttavia, studi sulle supernove di tipo Ia hanno dimostrato che l’espansione dell’Universo sta accelerando, suggerendo l’esistenza di una forza repulsiva chiamata energia oscura.

Raffigurazione dell'espansione dell'Universo nel corso dei miliardi di anni

Teorie sull’energia oscura

Tra le ipotesi più accreditate per spiegare l’energia oscura troviamo:

• La costante cosmologica: introdotta da Einstein, suggerisce che l’energia oscura sia una proprietà intrinseca dello spazio.
• La quintessenza: un campo energetico dinamico che cambia nel tempo.

Il futuro della ricerca

Esperimenti e strumenti per studiare la materia oscura

Il CERN, attraverso il Large Hadron Collider (LHC), sta conducendo ricerche approfondite sulla materia oscura, cercando di identificarne le particelle attraverso vari approcci:

• Produzione Diretta di Particelle di Materia Oscura: Nelle collisioni protoniche ad alta energia all'LHC, si cerca la creazione di particelle di materia oscura. Sebbene queste particelle non vengano rilevate direttamente dai rivelatori, la loro presenza è dedotta dalla mancanza di energia e momento dopo la collisione. Questo metodo è efficace per individuare particelle di materia oscura relativamente leggere.
• Ricerca di Particelle Predette da Teorie Oltre il Modello Standard: Teorie come la supersimmetria suggeriscono l'esistenza di particelle partner delle particelle note. L'LHC esplora la possibilità di produrre queste particelle, che potrebbero costituire la materia oscura. La ricerca si concentra su segnali che indicano la produzione di queste particelle e delle loro interazioni con la materia ordinaria.
• Esami di Eventuali Nuove Interazioni: L'LHC estende i limiti sulle possibili interazioni della materia oscura con la materia normale. Studiando vari canali di decadimento e produzione, i ricercatori cercano segnali che possano indicare la presenza di nuove particelle o forze che spiegano la natura e le proprietà della materia oscura.

Immagine dell'LHC

Progetti per comprendere l’energia oscura

Il Dark Energy Survey e altre missioni cosmologiche stanno raccogliendo dati sulla velocità di espansione dell’Universo per comprendere meglio la natura dell’energia oscura.

Il destino dell’Universo

La scoperta dell’energia oscura ha aperto nuovi scenari sul destino del cosmo:

• Big Freeze (congelamento termico) : Questo scenario è il più probabile secondo la teoria attuale. Se l’universo continua a espandersi indefinitamente, alla fine le stelle esauriranno il loro combustibile e l’universo diventerà sempre più freddo e oscuro. Le galassie si allontaneranno così tanto che saranno visibili solo quelle all’interno della nostra galassia, portando a un “congelamento termico” dell’universo.
• Big Rip (grande strappo): Se l’energia oscura, che sembra accelerare l’espansione dell’universo, aumenta ulteriormente, potrebbe causare una rapida espansione fino al punto che persino le galassie, le stelle, i pianeti e le particelle stesse vengano distrutte, strappando l’universo in pezzi.

Schema temporale di tutti gli ipotetici eventi del big RIP

• Big Crunch (collasso) :In questo scenario, l’espansione dell’universo potrebbe rallentare e invertire, facendo sì che l’universo si contragga su se stesso, fino a un singolo punto di densità infinita. Questo porterebbe a un “collasso gravitazionale” finale.

Conclusione

Le domande sulla materia oscura e sull’energia oscura sono tra le più profonde della fisica moderna. Studiare questi misteri potrebbe portare a una nuova comprensione delle leggi fondamentali dell’Universo e del nostro posto al suo interno.