Con tutta la nostra comprensione delle leggi della fisica e del successo del Modello Standard e della relatività generale, ci sono una serie di fenomeni osservabili nell'Universo che non possono essere spiegati. L'universo è pieno di misteri, dalla formazione stellare ai raggi cosmici ad alta energia. Anche se stiamo gradualmente scoprendo lo spazio per noi stessi, non sappiamo ancora tutto. Ad esempio, sappiamo che la materia oscura esiste, ma non sappiamo quali siano le sue proprietà. Ciò significa che dovremmo attribuire tutti gli effetti sconosciuti alle manifestazioni della materia oscura?
Ci sono tanti misteri sulla materia oscura quante sono le prove della sua esistenza. Ma incolpare la materia oscura per tutte le misteriose manifestazioni dello spazio non è solo miope, ma anche sbagliato. Questo è ciò che accade quando gli scienziati esauriscono le buone idee.
Due grandi galassie luminose al centro dell'ammasso di coma, ciascuna delle dimensioni di oltre un milione di anni luce. Le galassie alla periferia indicano l'esistenza di un grande alone di materia oscura in tutto l'ammasso.
La materia oscura si trova ovunque nell'universo. Fu consultato per la prima volta negli anni '30 per spiegare il rapido movimento delle singole galassie negli ammassi di galassie. Ciò è accaduto perché tutta la materia ordinaria - materia composta da protoni, neutroni ed elettroni - non è sufficiente per spiegare la quantità totale di gravità. Questo include stelle, pianeti, gas, polvere, plasma interstellare e intergalattico, buchi neri e tutto ciò che possiamo misurare. Le linee di prova a sostegno della materia oscura sono numerose e convincenti, come notato dal fisico Ethan Siegel.
La materia oscura è necessaria per spiegare:
- proprietà rotazionali delle singole galassie, - la formazione di galassie di diverse dimensioni, da ellittiche giganti a - galassie delle dimensioni della Via Lattea e minuscole galassie nane vicino a noi, Video promozionale:
- interazioni tra coppie di galassie, - proprietà di ammassi di galassie e ammassi di galassie su larga scala, - rete spaziale, compresa la sua struttura filamentosa, - spettro delle fluttuazioni di fondo delle microonde cosmiche, - gli effetti osservati delle lenti gravitazionali di masse distanti, - la separazione osservata tra gli effetti della gravità e la presenza di materia ordinaria nelle collisioni di ammassi di galassie.
Sia su piccola scala di singole galassie che su scala dell'intero Universo, è necessaria la materia oscura.
Mettendo tutto questo nel contesto del resto della cosmologia, crediamo che ogni galassia, inclusa la nostra, contenga un alone di materia oscura massiccio e diffuso che la circonda. A differenza delle stelle, del gas e della polvere nella nostra galassia, che si trovano principalmente nel disco, l'alone di materia oscura dovrebbe essere sferico, perché a differenza della materia ordinaria (basata sull'atomo), la materia oscura non si "appiattisce" quando la si schiaccia … Inoltre, la materia oscura dovrebbe essere più densa vicino al centro galattico ed estendersi dieci volte più lontano delle stelle della galassia stessa. Infine, dovrebbero esserci piccoli grumi di materia oscura in ogni alone.
Per riprodurre l'intera serie di osservazioni sopra elencate, così come altre, la materia oscura non dovrebbe avere altre proprietà oltre alle seguenti: dovrebbe avere una massa; deve interagire gravitazionalmente; deve muoversi lentamente rispetto alla velocità della luce; non dovrebbe interagire fortemente attraverso altre forze. Tutti. Qualsiasi altra interazione è fortemente limitata ma non esclusa.
Perché allora ogni volta che si fa un'osservazione astrofisica con un eccesso di una particella ordinaria di un certo tipo - fotoni, positroni, antiprotoni - si parla prima di tutto di materia oscura?
All'inizio di questa settimana, un team di scienziati che studiano le sorgenti di radiazioni gamma attorno alle pulsar ha pubblicato le loro scoperte su Science. Nel loro lavoro hanno cercato di capire meglio da dove provenisse l'eccesso di positroni che abbiamo osservato. I positroni, antipodi degli elettroni, nascono solitamente in diversi modi: quando particelle ordinarie vengono accelerate a energie sufficientemente elevate, quando entrano in collisione con altre particelle di materia e con la produzione di coppie elettrone-positrone secondo la formula di Einstein E = mc2. Creiamo tali coppie nel corso di esperimenti fisici e possiamo osservare astrofisicamente la creazione di un positrone, sia direttamente, nella ricerca dei raggi cosmici, sia indirettamente, nella ricerca della firma energetica dell'annichilazione elettrone-positrone.
Queste firme astrofisiche di positroni si verificano vicino al centro galattico, mirando a sorgenti puntiformi come microquasar e pulsar situate in una misteriosa regione della nostra galassia nota come il Grande Annientatore, e in una porzione di uno sfondo diffuso la cui origine è sconosciuta. Una cosa è certa: vediamo più positroni di quanto ci aspettiamo di vedere. E questo è noto da molto tempo. PAMELA l'ha misurata, Fermi l'ha misurata, AMS a bordo della ISS l'ha misurata. Più recentemente, l'osservatorio HAWC ha misurato raggi gamma di livello TeV ad altissima energia e ha dimostrato che si tratta di particelle altamente accelerate provenienti da pulsar di livello medio. Ma, sfortunatamente, questo non è sufficiente a spiegare l'eccesso di positroni osservato.
Per qualche ragione, con ogni misurazione dell'eccesso di positroni, con ogni osservazione di una fonte astrofisica che non la spiega, la narrazione sfocia in "non possiamo spiegarlo, quindi la colpa è della materia oscura". E questo è un male perché ci sono molte possibili fonti astrofisiche che non richiedono nulla di esotico, ad esempio:
- produzione secondaria di positroni e raggi gamma da parte di altre particelle, - microquasar o qualcos'altro che alimenta i buchi neri, - pulsar molto giovani o molto vecchie, magnetar, - resti di supernova.
Questo elenco non è definitivo, ma fornisce alcuni esempi di ciò che potrebbe creare questo surplus.
Molte persone che lavorano in questo campo optano per la materia oscura, perché sarebbe una svolta se la materia oscura distruggesse e producesse raggi gamma e particelle di materia ordinaria. Questo sarebbe uno scenario da sogno per gli astrofisici cacciatori di materia oscura. Ma il pio desiderio non ha mai portato a scoperte importanti. E mentre la materia oscura viene spesso presentata come una spiegazione per il surplus di positroni, non è più probabile che gli alieni spieghino la stella Tabby.
Dopo aver chiesto spiegazioni a Brenda Dingus, Principal Investigator per HAWC, Ethan Siegel ha ricevuto il seguente commento:
“Ci sono indubbiamente altre fonti di positroni. Ma i positroni non si allontanano molto dalle loro fonti e non ci sono molte fonti nelle vicinanze. I due migliori candidati sono stati scoperti da HAWC e ora sappiamo il numero di positroni che producono. Sappiamo anche come questi positroni si diffondano dalle loro fonti; più lento del previsto. Sebbene abbiamo confermato le sorgenti dei positroni nelle vicinanze, abbiamo scoperto che i positroni sono molto lenti ad allontanarsi dal loro luogo di origine e quindi non creano un eccesso di positroni sulla Terra. Eliminando una possibilità, rendiamo più probabili altre possibilità. Tuttavia, questo non significa che i positroni DEVONO provenire dalla materia oscura. Non lo intendiamo."
Sorprendentemente, i positroni nei dati HAWC rappresentano solo l'1% dei positroni visti in altri esperimenti, indicando qualcos'altro come l'eroe del giorno. Quando viene fatta un'osservazione che è in contrasto con le nostre idee tradizionali, come con un surplus di positroni astrofisici, non dovrebbe essere escluso che possa essere coinvolta la materia oscura. Ma è molto più probabile che altri processi astrofisici spieghino questi effetti. Quando un mistero appare nella scienza, tutti vogliono una rivoluzione, ma il più delle volte ottengono qualcosa di ordinario.
Ilya Khel
