Materia oscura, l’origine è la gravità? il mistero del cosmo prima del big bang, 50 anni di ipotesi e teorie

Materia oscura, l'origine è la gravità? il mistero del cosmo prima del big bang, 50 anni di ipotesi e teorie ma nessuno è finora riuscito a vederla

di Maria Vittoria Prest
Pubblicato il 20 Novembre 2022 - 10:02 OLTRE 6 MESI FA
Materia oscura, l'origine è la gravità? il mistero del cosmo prima del big bang, 50 anni di ipotesi e teorie

Materia oscura, l’origine è la gravità? il mistero del cosmo prima del big bang, 50 anni di ipotesi e teorie

L’origine della materia oscura è la gravità stessa? La materia oscura potrebbe finalmente rivelarsi attraverso le auto-interazioni?

La materia oscura è la misteriosa forma di materia che domina le galassie e gli ammassi. La prima grande prova della sua esistenza è arrivata negli anni ’70 grazie alle osservazioni dell’astronoma Vera Rubin sul movimento delle stelle all’interno delle galassie.

In breve, le galassie ruotano troppo velocemente. Se sommiamo tutta la massa di una galassia in base a ciò che possiamo vedere, semplicemente non c’è abbastanza gravità per trattenere le stelle con questo tipo di orbite veloci. Pertanto, deve esserci un’altra massa che non riusciamo a vedere: la materia oscura.

Nonostante le numerose prove circostanziali sull’esistenza della materia oscura, gli astronomi non sono ancora riusciti ad osservarla direttamente.

Un nuovo modello dell’universo primordiale propone una nuova teoria sulla materia oscura: il gravitone, ovvero la forza meccanica quantistica portatrice di gravità, avrebbe inondato il cosmo di materia oscura prima ancora che la materia normale avesse avuto la possibilità di formarsi.

La teoria potrebbe essere un modo per collegare due dei più grandi enigmi della cosmologia moderna: la natura della materia oscura e la storia dell’inflazione cosmica.

Molti cosmologi ritengono che quando l’universo era incredibilmente giovane, cioè meno di una frazione di secondo, abbia vissuto un periodo di espansione rapidissima nota come inflazione.

L’epoca inflazionistica è stata cruciale per la futura evoluzione dell’universo in quanto l’espansione ha trasformato microscopiche fluttuazioni quantistiche dello spazio-tempo nei semi che un giorno sarebbero diventati stelle, galassie e ammassi.

Dell’evento inflazionistico vero e proprio si conosce poco. Ad esempio, i cosmologi non sanno cosa abbia innescato l’inflazione, cosa l’abbia alimentata, quanto sia durata o quando si sia spenta.

Ma questo quadro generale è l’unico in grado di spiegare i modelli trovati nella radiazione cosmica di fondo – ovvero un mare di microonde formatosi quando l’universo aveva 380.000 anni – e la distribuzione su larga scala della materia nell’universo. Le statistiche di questi modelli corrispondono a quelle che vediamo nelle fluttuazioni quantistiche, il che dà ai cosmologi la fiducia necessaria per ipotizzare l’esistenza di un legame.

Alla fine dell’inflazione il cosmo era molto più grande di prima. Era, però, anche molto più vuoto in quanto tutti i componenti che si trovavano in precedenza nell’universo erano stati semplicemente allontanati l’uno dall’altro. Rimaneva solo una cosa: la forza motrice dell’inflazione che alla fine si è esaurita. I cosmologi chiamano questa forza motrice “inflatone” e pensano che si tratti di un campo quantistico.

Quando l’inflazione è terminata, l’inflatone ha inondato l’universo con la varietà di particelle che vediamo oggi. Per molti versi, l’inflazione è stata il “vero” Big Bang. Se immaginate un universo vuoto ed improvvisamente ricco di un’esplosione di particelle, è proprio questo.

 

Dal momento in cui la fine dell’inflazione ha innescato la creazione di tutte le particelle conosciute, si presume che quello stesso evento abbia prodotto anche la materia oscura.

I cosmologi non sono sicuri di cosa sia fatta la materia oscura ma un’abbondanza di prove suggerisce che si tratta di un nuovo tipo di particella sconosciuta. Qualunque sia questa particella, essa rappresenta oltre l’80% di tutta la materia dell’universo.

Ora, una coppia di fisici dell’Istituto di Fisica di Helsinki ha proposto un nuovo meccanismo per generare molta materia oscura nell’universo primordiale anche se all’inflatone non piace produrre materia oscura.

Questo nuovo meccanismo si basa esclusivamente sulla gravità.

Il meccanismo, che i fisici hanno illustrato in un articolo pubblicato sulla banca dati arXiv, presuppone che l’inflatone e la materia oscura non si parlino.

La particella di materia oscura, dunque, non viene prodotta nel modo normale alla fine dell’inflazione.

I ricercatori hanno invece esaminato il comportamento dell’inflatone appena prima del suo decadimento. Alla fine dell’inflazione, poco prima che l’inflatone se ne andasse e desse origine allo zoo di particelle del nostro universo, l’inflatone si muoveva nel cosmo come una palla che è appena rotolata giù da una collina ripida ma non si è ancora assestata.

I cosmologi chiamano questo passaggio “la fase di preriscaldamento del decadimento dell’inflatone” e può dare origine a una fisica pazzesca.

Per esempio, in questa breve fase, la gravità stessa può giocare un ruolo importante permettendo all’inflatone di collegarsi alla particella di materia oscura. In questo caso, la gravità assume la forma del suo presunto vettore di forza quantistica, il gravitone.

Di solito il gravitone non partecipa alle reazioni delle particelle ma i fisici hanno trovato un modo per farlo apparire nella fase di preriscaldamento verso la fine dell’inflazione.

La coppia ha scoperto che quando il gravitone compare nelle interazioni tra le particelle in questa fase potrebbe fornire canali per il decadimento dell’inflatone in particelle di materia oscura.

Queste particelle di materia oscura sarebbero quindi già state presenti nell’universo prima che il resto della materia normale ne seguisse l’esempio quando l’inflatone si è spento.

Questo meccanismo funziona solo quando lo spazio sta facendo qualcosa di interessante, come espandersi rapidamente durante l’inflazione. Così, quando l’inflazione finalmente altera la capacità dell’universo di creare, le particelle di materia oscura svaniscono.

L’articolo presentato per la pubblicazione sulla rivista Reviews of Modern Physics e pubblicato nella banca dati arXiv sostiene che la lente gravitazionale si verifica quando c’è una fortunata coincidenza di osservazioni.

Quando gli astronomi osservano un lontano ammasso di galassie, ad esempio, possono vedere anche la luce di galassie ancora più lontane che attraversano l’ammasso. La massa del gruppo di galassie (in genere 10^14 o 10^15 volte la massa del sole) è così grande da piegare e deformare il tessuto spaziale intorno ad esso. Questo distorce le immagini delle galassie sullo sfondo, trasformandole dalle familiari girandole e strutture ellittiche in lunghi serpenti sinuosi e altre forme bizzarre.

Gli astronomi possono ricostruire queste immagini distorte ed usarle per determinare quanta massa c’è in un ammasso e dove è concentrata. Solitamente, la materia oscura auto-interagente ha una diversa “consistenza” rispetto alla materia oscura normale non interagente. La materia oscura non interagente continuerà ad accumularsi fino a densità incredibilmente elevate nei nuclei degli ammassi di galassie perché non c’è nient’altro a fermarla. Ma quando la materia oscura interagisce con sé stessa, rallenta il processo di formazione dei nuclei e rende più omogenea la situazione nelle parti interne di un ammasso.

Osservazioni dettagliate, come quelle recentemente fornite dal telescopio spaziale James Webb, della distribuzione della massa all’interno degli ammassi di galassie potrebbero fornire un indizio dell’esistenza della materia oscura.

Quando la luce proveniente da molte galassie lontane si fa strada nel cosmo, la gravità accumulata da tutte le galassie e dagli altri oggetti a cui la luce passa vicino durante il suo viaggio la altera in modi minuscoli. Ad esempio, le galassie che si trovano in una particolare direzione possono apparire un po’ più rotonde o più grasse di quelle che si trovano in altre direzioni.

Nel corso della loro vita di miliardi di anni, su ogni galassia piove costantemente materiale dai suoi dintorni. In altre parole, ogni galassia nuota in un oceano di materia.

Quando la materia oscura interagisce con sé stessa, fa sì che la parte di materia oscura di una galassia si trascini leggermente dietro la materia normale in quanto la materia normale può nuotare senza problemi attraverso tutta la materia circostante.

Questo può far sì che le galassie abbiano due nuclei leggermente sfalsati: uno fatto di materia normale e uno fatto di materia oscura.

Questo sfalsamento innesca un’interruzione delle maree in tutta la galassia, causando potenzialmente anche la deformazione del disco della galassia. Le future osservazioni dettagliate delle galassie potrebbero rivelare una deformazione del disco che solo la materia oscura auto-interagente può spiegare.

Quando gli ammassi giganti di galassie si fondono, gli astronomi possono osservare i rottami per capire cosa c’è al loro interno. Ad esempio, il famoso Bullet Cluster mostra cosa è successo quando due ammassi si sono fusi: le stelle e la materia oscura – misurata attraverso la lente gravitazionale – sono passate l’una attraverso l’altra senza essere toccate, mentre tutto il gas sciolto negli ammassi si è scontrato l’uno contro l’altro nel centro della collisione.

Il fatto che la materia oscura si trovi alla periferia del sistema ci dice che essa non interagisce spesso con sé stessa, altrimenti si sarebbe aggrovigliata al centro insieme al gas.