C'è più di quello che si vede

Pochi spettacoli sono emozionanti come la visione di un cielo stellato, lontano dalle fonti di inquinamento luminoso. Volgendo lo sguardo verso il cielo, sembra di precipitare nel cosmo. L'astrofisica però oggi ci assicura che ciò che vediamo – pianeti, stelle, nebulose, ammassi stellari e galassie – è solo una piccola parte del totale. Grazie a un astronomo svizzero, da quasi un secolo sappiamo che esiste molta più massa di quella osservabile. Tuttavia ancora oggi nessuno sa da che cosa sia composta. Venerdì 21 novembre alle 18 presso l'Auditorio Campus Ovest a Lugano, Marco Lombardi, astrofisico e professore all'Università Statale di Milano, terrà una conferenza organizzata dall'IRSOL su questo argomento al confine della ricerca in fisica fondamentale, dove si incontrano l'astrofisica e la fisica delle particelle. Lombardi ha risposto a qualche nostra domanda preliminare, per non farci arrivare alla conferenza del tutto impreparati.

Quali sono stati e sono tuttora i principali indizi del fatto che la materia che compone l'universo non può essere soltanto quella che possiamo osservare direttamente?

Le primissime indicazioni della presenza di materia oscura erano a disposizione degli astronomi già negli anni '30, quando l'astronomo svizzero Fritz Zwicky studiò il moto delle galassie che componevano un ammasso di galassie a noi molto vicino, l'ammasso della Chioma di Berenice. così chiamato dal nome della costellazione alla quale appartiene. Studiando gli spettri delle galassie dell'ammasso, Zwicky fu in grado di misurare i loro moti radiali tramite l'effetto Doppler. Si rese così conto che la maggior parte delle galassie mostrava moti molto più alti di quanto consentito dalla sola materia luminosa. In altre parole, se la massa presente nell'ammasso della Chioma fosse solo dovuta alle stelle, tutte le galassie dell'ammasso avrebbero avuto una velocità superiore alla velocità di fuga. L'ammasso, quindi, sarebbe dovuto scomparire in un lasso di tempo relativamente breve.

Le osservazioni di Zwicky vennero in gran parte ignorate dagli astronomi contemporanei fino agli anni '70, quando lo studio delle curve di rotazione delle galassie a spirale mostrò un problema molto simile: le stelle che compongono i bracci delle galassie a spirale ruotano intorno al centro delle galassie con una velocità superiore alla velocità di fuga, sempre assumendo che la massa delle galassie sia costituita solo da stelle.

Oggi sappiamo che gli ammassi di galassie contengono, oltre alle stelle, plasma (cioè gas molto caldo e completamente ionizzato) che emette raggi X (osservati in maniera definitiva all'inizio degli anni '70 dal satellite Uhuru), e che questo rappresenta una frazione considerevole della materia "standard" presente negli ammassi. Tuttavia, anche considerando la presenza del plasma, le velocità delle galassie membri di ammassi sono sempre ordini di grandezza più alte di quanto previsto. Analogamente, il gas e la polvere presenti nelle galassie a spirale non sono minimamente in grado di giustificare i moti di rotazione delle stelle nelle regioni più esterne dei bracci.

Per queste ragioni, dagli anni '70 in poi gli astronomi hanno invocato la presenza di una forma di materia distinta dalla materia ordinaria, chiamata già da Zwicky "materia oscura".

Oggi, accanto alle osservazioni classiche citate, abbiamo molte altre misure che indicano la presenza di materia oscura nelle galassie e negli ammassi di galassie, con gli indizi più forti dalle osservazioni di lenti gravitazionali e dalle misura di anisotropia del fondo cosmico nelle microonde.

Quali sono in questo momento le ipotesi candidate a essere la migliore spiegazione delle osservazioni?

Per molti anni gli astronomi e i fisici delle particelle si sono chiesti quale potesse essere la natura della materia oscura. I dati astrofisici forniscono informazioni essenziali sulle caratteristiche basilari di questa forma di materia. Ovviamente deve avere massa ed esercitare gravità. Non deve interagire con la radiazione elettromagnetica. Deve essere "fredda", termine con il quale si indica il fatto che le velocità tipiche delle particelle di materia oscura devono essere basse anche nell'universo primordiale (fatto cruciale per la formazione delle galassie). Deve interagire al più attraverso interazione debole con la materia ordinaria. L'ultimo punto essenzialmente deve garantire che la Terra, nel suo moto intorno al Sole e intorno al centro della Via Lattea, deve poter attraversare indisturbata la materia oscura presente senza che vi sia alcun ovvio effetto apparente.

Per molti anni il candidato principale per la materia oscura sono state le WIMPs, acronimo che indica Weakly Interactive Massive Particles (particelle massicce debolmente interagenti). Si dovrebbe trattare di particelle elementari della massa tra 10 e 1'000 volte la massa di un protone (quindi da 10 a 1'000 GeV), che interagiscono solo tramite interazione debole. Il motivo per privilegiare questo candidato è legato al fatto che, se esistessero delle particelle del genere, allora "automaticamente" si creerebbe un "mare" di tali particelle negli istanti successivi al Big Bang. Quindi, come per i fotoni della radiazione cosmica di fondo, saremmo in grado di prevedere l'abbondanza odierna di WIMPs. Il "miracolo" è che, assumendo una massa dell'ordine di 100 GeV e interazione debole, oggi ci sarebbe giusto la quantità necessaria di materia oscura per giustificare le osservazioni.

Il problema è che a oggi non c'è alcuna evidenza sperimentale dell'esistenza delle WIMPs. Acceleratori come il Large Hadron Collider al CERN di Ginevra avrebbero già dovuto osservare tracce di WIMPs. Analogamente, in ambito astrofisico, ci si aspetta che le WIMPs possano produrre raggia gamma per auto-annichilazione (le WIMPs dovrebbero essere le antiparticelle di sé stesse), ma i pochi segnali osservati sono facilmente spiegabili come contaminazioni di sorgenti astrofisiche standard. Nel 2016 l'esperimento DAMA, condotto nei laboratori INFN del Gran Sasso e mirato a rilevare una interazione diretta delle WIMPs durante il moto della Terra, ha mostrato un segnale modulato con cadenza annuale: un fatto che ha suscitato un notevole interesse nella comunità scientifica. Sfortunatamente, al momento la rivelazione di DAMA non è stata surrogata da alcun altro esperimento diretto, cosa che ha suscitato una buona dose di scetticismo nella comunità scientifica.

In conclusione il "miracolo delle WIMPs" non è ancora del tutto esaurito, ma i margini di manovra si riducono sempre più man mano che le misure diventano più sensibili. Per questo motivo molti fisici teorici hanno indagato possibili alternative, con il risultato che attualmente esiste uno "zoo" di candidati di materia oscura con varie caratteristiche. Al momento nessun candidato sembra essere oltre lo stato della speculazione teorica, ma ovviamente la situazione potrebbe cambiare nei prossimi anni.

È possibile che la materia oscura non esista e che invece le osservazioni possano essere spiegate modificando in modo radicale le teorie della fisica fondamentale?

All'inizio degli anni '80 l'astrofisico israeliano Mordehai Milgrom propose di modificare la seconda legge di Newton, cioè la legge che mette in relazione la forza totale agente su una massa con l'accelerazione subita dalla massa stessa e normalmente formulata come F = m ⋅ a. Milgrom notò che la ben nota legge di Newton è stata verificata sperimentalmente solo in regimi in cui le accelerazioni sono relativamente alte, e non nei regimi in cui le accelerazioni sono piccolissime. Piccolissime accelerazioni tuttavia sono proprio quelle presenti nelle stelle dei bracci di galassie a spirale o nelle galassie di ammassi di galassie. Milgrom propose di rimpiazzare in questi regimi la seconda legge di Newton con una legge quadratica nell'accelerazione, in modo che F = m ⋅ a² / a₀ , dove a₀ è un parametro della teoria (chiamata "MOdified Newtonian Dynamics" o più comunemente "MOND"). La teoria ha subito poi varie modifiche (principalmente per renderla compatibile con la relatività), ma è stata fortemente criticata da molti astrofisici, principalmente per la sua incapacità di giustificare i dati di ammassi di galassie.

Più di recente sono state proposte alcune teorie che riproducono, almeno da un punto di vista fenomenologico, i risultati di MOND. Tra queste, forse quella che ha suscitato maggiore attenzione mediatica è la teoria della gravità "emergente" o "entropica" di Erik Verlinde. L'idea è che la gravità non esista come forza a sé stante, ma che emerga dall'entropia e dall'informazione quantistica presente nella struttura dello spazio-tempo, in maniera analoga all'emergere della temperatura dai moti casuali di atomi o molecole. La teoria ha riscosso critiche, unite però anche a una buona dose di interesse per le novità proposte. Un aspetto positivo di questa teoria è che fornisce predizioni già (parzialmente) verificabili con i dati attualmente disponibili. I risultati sono contrastanti, con esperimenti che sembrano essere in accordo con la gravità entropica e altri in netto contrasto. Al momento non esiste quindi una opinione univoca della comunità scientifica sulla teoria di Verlinde.