Come fai a sapere che la materia oscura esiste se non può essere rilevata? | Gli scienziati rispondono | Scienza

Sappiamo che la materia oscura esiste perché, sebbene non interagisca con la luce – da qui il suo nome – interagisce con la materia normale e ha su di essa un effetto gravitazionale. Chiamiamo materia normale, o luminosa, tutto ciò che comprendiamo a livello teorico e che possiamo osservare: i pianeti, le stelle, perfino il gas interstellare e anche noi ne siamo fatti. Questo lo sappiamo molto bene, sappiamo che è formato da particelle che spieghiamo con il modello standard della fisica delle particelle.

Uno degli effetti di questa interazione gravitazionale è che la materia oscura può cambiare la traiettoria degli oggetti costituiti da materia normale. Abbiamo diverse prove di ciò e tutte queste prove indicano che la materia oscura rappresenta circa l’85% della materia nell’universo. Abbiamo questi test su scale diverse. Ad esempio, su scala galattica; anche alla scala degli ammassi di galassie, che sono strutture molto più grandi perché gli ammassi sono costituiti da decine o centinaia di galassie; e su scale cosmologiche, che sono ancora molto più grandi.

La prima evidenza importante arriva nel 1977, quando l’astronoma americana Vera Cooper Rubin misurò la velocità con cui ruotavano le stelle in un gruppo di galassie a spirale. Applicando le leggi della gravitazione, ciò che ci si aspetta è che la velocità delle stelle sempre più lontane dal centro diminuisca, poiché la maggior parte della materia normale si trova al centro della galassia. Ma quello che Vera Cooper Rubin ha visto è che, molto lontano da quel centro, la velocità rimaneva costante. L’unica spiegazione è che doveva esserci altra materia che non vedevamo, e con una massa nove volte maggiore di quella della materia che vedevamo. Fu la prima prova che confermò inconfutabilmente l’esistenza della materia oscura. E nei controlli successivi si sono ottenuti gli stessi risultati. Questo è un esempio di prova galattica, la scala più piccola.

Le prove negli ammassi di galassie si concentrano sulla misurazione della materia attraverso l’effetto di lente gravitazionale. Questo effetto si basa sul fatto che, secondo la teoria della relatività di Einstein, quando i fotoni – le particelle che compongono la luce – passano vicino a un oggetto dotato di massa, il loro percorso curva. Quindi, se abbiamo una sorgente luminosa che osserviamo con un telescopio e tra la sorgente e il telescopio c’è un oggetto massiccio, puoi stimare la massa di quell’oggetto misurando quanto la luce è stata deviata. Ecco come viene calcolata la materia negli ammassi di galassie. E quello che si è visto con questo tipo di misurazioni è che solo il 20% della materia è luminosa; il resto non emette luce, quindi si pensa che si tratti di materia oscura.

Esistono anche prove su scale ancora più grandi, ottenute dal fondo cosmico a microonde. Questa radiazione ha avuto origine quando l’universo aveva 400.000 anni – ora ha 13,8 miliardi di anni – e oggi possiamo misurarla. Studiandolo si ottengono informazioni sul momento nell’universo in cui hanno cominciato a formarsi le strutture, proprio quando i fotoni hanno cominciato a viaggiare liberamente e quando ha avuto origine la radiazione cosmica di fondo a microonde. Quando si misura questa radiazione, le sue caratteristiche possono essere spiegate correttamente solo se si accetta che nell’universo sia presente più dell’80% di materia oscura.

Cioè, tutte queste prove su scale diverse e con metodi diversi prevedono la materia oscura e ne prevedono anche la stessa quantità. Ecco perché siamo così sicuri che esista la materia oscura, anche se per ora non sappiamo cosa sia.

Marina Cermeño Gavilán Ha un dottorato in Fisica Teorica, ricerca la materia oscura presso l’Istituto di Fisica Teorica di Madrid (UAM-CSIC).

Domanda inviata via email da Mariana Pérez Pásaro.

Coordinamento e scrittura: Vittoria Toro.

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