Tutto ciò che abbiamo mai osservato nell'Universo, dalla materia alla radiazione, può essere scomposto nei componenti più piccoli. Tutto in questo mondo è costituito da atomi, che sono composti da nucleoni ed elettroni, ei nucleoni sono divisi in quark e gluoni. La luce è composta anche da particelle: i fotoni. Anche le onde gravitazionali, in teoria, sono costituite da gravitoni: particelle che un giorno, se siamo fortunati, troviamo e aggiustiamo. Ma per quanto riguarda la materia oscura? Non si possono negare prove indirette della sua esistenza. Ma dovrebbe essere composto anche da particelle?
Siamo abituati a pensare che la materia oscura sia composta da particelle e cerchiamo disperatamente di rilevarle. Ma cosa succede se stiamo cercando nel posto sbagliato?
Se l'energia oscura può essere interpretata come energia inerente al tessuto dello spazio stesso, potrebbe essere che la "materia oscura" sia anche una funzione interna dello spazio stesso - strettamente o lontanamente correlata all'energia oscura? E che invece della materia oscura, gli effetti gravitazionali che potrebbero spiegare le nostre osservazioni saranno più dovuti alla "massa oscura"?
Ebbene, specialmente per te, il fisico Ethan Siegel ha illustrato i nostri approcci teorici e possibili scenari.
Una delle caratteristiche più interessanti dell'universo è la relazione uno-a-uno tra ciò che è nell'universo e il modo in cui il tasso di espansione cambia nel tempo. Attraverso molte accurate misurazioni di molte sorgenti disparate - stelle, galassie, supernovae, lo sfondo cosmico a microonde e le strutture su larga scala dell'universo - siamo stati in grado di misurare entrambi, definendo di cosa è fatto l'universo. Fondamentalmente, ci sono molte idee diverse su ciò in cui può consistere il nostro universo e tutte hanno effetti diversi sull'espansione cosmica.
Grazie ai dati ottenuti, ora sappiamo che l'universo è composto da:
- 68% di energia oscura, che rimane a una densità di energia costante anche quando lo spazio si espande;
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- Il 27% della materia oscura, che esibisce una forza gravitazionale, è offuscata all'aumentare del volume e non permette di essere misurata utilizzando qualsiasi altra forza nota;
- il 4,9% della materia ordinaria, che manifesta tutte le forze, è sfocata all'aumentare del volume, si annoda in grumi ed è costituita da particelle;
- 0,1% di neutrini, che esibiscono interazioni gravitazionali ed elettrodeboli, sono costituiti da particelle e si scontrano solo quando rallentano abbastanza da comportarsi come materia, non come radiazione;
- 0,01% dei fotoni, che esibiscono influenze gravitazionali ed elettromagnetiche, si comportano come radiazioni e risultano sfocate sia con l'aumentare del volume che con l'allungamento delle lunghezze d'onda.
Nel tempo, queste varie componenti diventano relativamente più o meno importanti e questa percentuale rappresenta ciò di cui è fatto l'universo oggi.
L'energia oscura, come segue dalle nostre migliori misurazioni, ha le stesse proprietà in qualsiasi punto dello spazio, in tutte le direzioni dello spazio e in tutti gli episodi della nostra storia cosmica. In altre parole, l'energia oscura è sia omogenea che isotropa: è la stessa ovunque e sempre. Per quanto ne sappiamo, l'energia oscura non ha bisogno di particelle; può facilmente essere una proprietà inerente al tessuto dello spazio.
Ma la materia oscura è fondamentalmente diversa.
Perché la struttura che vediamo nell'Universo si formi, specialmente su larga scala cosmica, la materia oscura non deve solo esistere, ma anche unirsi. Non può avere la stessa densità in tutto lo spazio; piuttosto, dovrebbe essere concentrato nelle regioni di densità maggiore e dovrebbe essere meno denso, o del tutto assente, nelle regioni di densità inferiore. Possiamo effettivamente dire quanta parte della materia totale si trova in diverse regioni dello spazio, guidati dalle osservazioni. I tre più importanti sono:
Spettro di potere della materia
Mappa la materia nell'universo, vedi a quale scala corrisponde alle galassie - cioè, quanto è probabile che tu trovi un'altra galassia a una certa distanza dalla galassia con cui inizi - e studia il risultato. Se l'universo fosse costituito da una sostanza omogenea, la struttura sarebbe imbrattata. Se ci fosse materia oscura nell'universo che non si raccolse abbastanza presto, la struttura su piccola scala verrebbe distrutta. Lo spettro di potenza dell'energia ci dice che circa l'85% della materia nell'Universo è rappresentata dalla materia oscura, che è molto diversa da protoni, neutroni ed elettroni, e questa materia oscura è nata fredda, oppure la sua energia cinetica è paragonabile alla massa a riposo.
Lensing gravitazionale
Dai un'occhiata all'enorme oggetto. Diciamo un quasar, galassia o ammassi di galassie. Guarda come la luce di sfondo viene distorta dalla presenza di un oggetto. Poiché comprendiamo le leggi di gravitazione che sono governate dalla teoria della relatività generale di Einstein, il modo in cui la luce viene piegata ci consente di determinare la quantità di massa presente in ogni oggetto. Attraverso altri metodi, possiamo determinare la quantità di massa presente nella materia ordinaria: stelle, gas, polvere, buchi neri, plasma, ecc. E ancora una volta troviamo che l'85% della materia è rappresentata dalla materia oscura. Inoltre, è distribuito più diffusamente, torbido, della materia ordinaria. Ciò è confermato da lenti deboli e forti.
Sfondo cosmico a microonde
Se osservi il bagliore rimanente della radiazione del Big Bang, scoprirai che è più o meno uniforme: 2,725 K in tutte le direzioni. Ma se guardi più da vicino, puoi scoprire che si osservano piccoli difetti su scale da decine a centinaia di microkelvin. Ci dicono alcune cose importanti, comprese le densità energetiche della materia ordinaria, della materia oscura e dell'energia oscura, ma soprattutto, ci dicono quanto fosse omogeneo l'universo quando era solo lo 0,003% della sua età attuale. La risposta è che la regione più densa era solo lo 0,01% più densa della regione meno densa. In altre parole, la materia oscura è iniziata in uno stato omogeneo e si è aggregata con il passare del tempo.
Mettendo tutto insieme, arriviamo alla conclusione che la materia oscura dovrebbe comportarsi come un liquido che riempie l'universo. Questo fluido ha una pressione e una viscosità trascurabili, reagisce alla pressione delle radiazioni, non entra in collisione con i fotoni o la materia ordinaria, è nato freddo e non relativistico e si raggruppa sotto l'influenza della propria gravità nel tempo. Determina la formazione di strutture nell'Universo su scale più grandi. È altamente eterogeneo e l'entità della sua eterogeneità aumenta nel tempo.
Ecco cosa possiamo dire al riguardo su larga scala, in quanto si riferiscono alle osservazioni. Su piccola scala, possiamo solo supporre, non completamente sicuro, che la materia oscura sia composta da particelle con proprietà che la fanno comportare in questo modo su larga scala. Il motivo per cui assumiamo questo è perché l'universo, per quanto ne sappiamo, è costituito da particelle al suo centro, tutto qui. Se sei una sostanza, se hai una massa, un analogo quantistico, allora devi inevitabilmente consistere di particelle a un certo livello. Ma fino a quando non avremo trovato questa particella, non abbiamo il diritto di escludere altre possibilità: ad esempio, che questo è un tipo di campo liquido che non è costituito da particelle, ma influenza lo spazio-tempo nel modo in cui le particelle dovrebbero.
Questo è il motivo per cui è così importante cercare di rilevare direttamente la materia oscura. È impossibile confermare o negare la componente fondamentale della materia oscura in teoria, solo in pratica, supportata da osservazioni. Apparentemente, la materia oscura non ha nulla a che fare con l'energia oscura.
È fatto di particelle? Fino a quando non li troviamo, possiamo solo indovinare. L'universo si manifesta come di natura quantistica quando si tratta di qualsiasi altra forma di materia, quindi è ragionevole presumere che la materia oscura sarebbe la stessa.
Ilya Khel
