La maggior parte dell'Universo è costituita da "materia" che non può essere vista, forse immateriale, e interagisce con altre cose solo attraverso la forza di gravità. Oh sì, ei fisici non sanno cosa sia questo problema o perché ce n'è così tanto nell'Universo - circa quattro quinti della sua massa.
Gli scienziati la chiamano materia oscura.
Allora, dov'è questa materia misteriosa che costituisce un pezzo così enorme del nostro universo, e quando lo scopriranno gli scienziati?
Come sappiamo che questa faccenda esiste
L'ipotesi della materia oscura fu avanzata per la prima volta dall'astronomo svizzero Fritz Zwicky negli anni '30, quando si rese conto che le sue misurazioni delle masse degli ammassi di galassie mostravano una parte della massa nell'Universo "mancante". Qualunque cosa renda le galassie più pesanti, non emette luce, né interagisce con nient'altro che attraverso la gravità.
L'astronomo Vera Rubin, negli anni '70, scoprì che la rotazione delle galassie non segue la legge del moto di Newton; le stelle nelle galassie (in particolare Andromeda) sembravano ruotare attorno al centro alla stessa velocità, ma quelle più lontane dalla stella si muovono più lentamente. Come se qualcosa aggiungesse massa alla parte esterna della galassia che nessuno poteva vedere.
Il resto delle prove proviene dalla lente gravitazionale, che si verifica quando la gravità di un oggetto di grandi dimensioni piega le onde luminose attorno a un oggetto. Secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein, la gravità piega lo spazio (come un lottatore di sumo può deformare il tappeto su cui si trova) in modo che i raggi di luce si pieghino attorno a grandi oggetti, anche se la luce stessa è priva di massa. Le osservazioni hanno mostrato che non c'era abbastanza massa visibile per piegare la luce come ha fatto intorno ai singoli ammassi di galassie - in altre parole, le galassie erano più massicce di quanto avrebbero dovuto essere.
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Poi c'è la radiazione reliquia (CMB), l '“eco” del Big Bang e delle supernove. "La CMB ci dice che l'universo è spazialmente piatto", ha detto Jason Kumar, professore di fisica all'Università delle Hawaii. "Spazialmente piatto" significa che se si tracciano due linee nell'universo, queste non si incrociano mai, anche se le linee hanno un diametro di miliardi di anni luce. In un universo dalle curve ripide, queste linee si incontreranno ad un certo punto nello spazio.
C'è ora una piccola controversia tra cosmologi e astronomi sull'esistenza della materia oscura. Non influenza la luce e non si carica come gli elettroni o i protoni. Fino ad ora, ha eluso il rilevamento diretto.
"Questo è un mistero", ha detto Kumar. Ci possono essere modi in cui gli scienziati hanno cercato di "vedere" la materia oscura - sia attraverso la sua interazione con la materia ordinaria, sia cercando particelle che potrebbero essere materia oscura.
Quale materia oscura non è
Molte teorie sono andate e venute su cosa sia la materia oscura. Uno dei primi era abbastanza logico: la domanda era nascosta in massicci oggetti astrofisici compatti (MACHO), come stelle di neutroni, buchi neri, nane brune e pianeti canaglia. Non emettono luce (o ne emettono pochissima), quindi sono praticamente invisibili ai telescopi.
Tuttavia, esplorare galassie alla ricerca di piccole distorsioni nella luce stellare prodotte dal passaggio di MACHO - chiamate microlensing - non potrebbe spiegare la quantità di materia oscura intorno alle galassie, o anche gran parte di essa. "I MACHO sembrano essere esclusi come sempre", ha detto Dan Hooper, ricercatore associato presso il Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois.
La materia oscura non sembra essere una nuvola di gas che non può essere vista attraverso i telescopi. Il gas diffuso assorbirà la luce dalle galassie più lontane, e al di sopra di quel gas normale riemetterà la radiazione a lunghezze d'onda lunghe - ci sarà un'enorme emissione di luce infrarossa nel cielo. Poiché ciò non accade, possiamo escluderlo.
Cosa potrebbe essere
Le particelle massicce che interagiscono debolmente (WIMP) sono alcuni dei più forti contendenti per la spiegazione della materia oscura. I Wimps sono particelle pesanti, da 10 a 100 volte più pesanti del protone, che sono state create durante il Big Bang e rimangono in piccole quantità oggi. Queste particelle interagiscono con la materia normale attraverso la gravità e le forze nucleari deboli. I WIMP più massicci si muoveranno più lentamente nello spazio, e quindi potrebbero essere candidati per la materia oscura "fredda", mentre quelli più leggeri si muoveranno più velocemente e saranno candidati per la materia oscura "calda".
Un modo per trovarli è attraverso il "rilevamento diretto", come l'esperimento Large Underground Xenon (LUX), che è un contenitore di xeno liquido in una miniera del South Dakota.
Un altro modo per vedere i wimps potrebbe essere con un acceleratore di particelle. All'interno degli acceleratori, i nuclei atomici vengono rotti a una velocità prossima a quella della luce e nel processo questa energia di collisione viene convertita in altre particelle, alcune delle quali sono nuove per la scienza. Finora non è stato trovato nulla negli acceleratori di particelle che assomiglino a presunta materia oscura.
Un'altra possibilità: assioni. Queste particelle subatomiche potrebbero essere rilevate indirettamente dai tipi di radiazioni che emettono, da come si distruggono o da come si decompongono in altri tipi di particelle o appaiono negli acceleratori di particelle. Tuttavia, non ci sono nemmeno prove dirette di assioni.
Poiché la scoperta di particelle "fredde" pesanti e lente come i wimps o gli assioni non ha ancora prodotto risultati, alcuni scienziati stanno esaminando la possibilità che particelle leggere e più veloci possano causare materia oscura "calda". C'è stato un rinnovato interesse per un tale modello di materia oscura dopo che gli scienziati hanno trovato prove di una particella sconosciuta utilizzando l'Osservatorio a raggi X Chandra, nell'ammasso Perseo, un gruppo di galassie a circa 250 milioni di anni luce dalla Terra. Gli ioni conosciuti in questo ammasso producono alcune linee di emissione di raggi X e nel 2014 gli scienziati hanno visto una nuova "linea" che potrebbe corrispondere a una particella di luce sconosciuta.
Se le particelle di materia oscura sono leggere, gli scienziati avranno difficoltà a trovarle direttamente, ha affermato Tracey Slater, fisica del MIT. Ha proposto nuovi tipi di particelle che possono costituire la materia oscura.
"La materia oscura con una massa inferiore a circa 1 GeV è davvero difficile da rilevare con esperimenti di rilevamento diretto standard perché funzionano cercando rinculi inspiegabili di nuclei atomici … ma quando la materia oscura è molto più leggera di un nucleo atomico, l'energia di rinculo è molto piccola", ha detto Tracy Slater.
Sono state fatte molte ricerche nella ricerca della materia oscura e se i metodi attuali falliscono, ne verranno condotti di nuovi. L'uso di elio liquido "liquido", semiconduttori e persino la rottura di legami chimici nei cristalli sono alcune delle nuove idee per rilevare la materia oscura.
