SxT Zooming-in L'universo misterioso
L. Benussi, F. L. Fabbri

Il peso dell'Universo

Una domanda che solo a prima vista potrebbe sembrare banale o inutile è "quanta materia c'è nell'Universo?". "Pesare" l'Universo è invece essenziale per riuscire a predirne il futuro.

Oltre un certo valore critico della propria massa, l'Universo, sotto l'effetto del suo stesso "peso", arresterebbe la sua espansione e comincerebbe a riaddensarsi, finendo la sua corsa in un "Big Crunch", l'esatto contrario del "Big Bang" . Immaginiamo di filmare l'esplosione di una bomba (la nascita dell'Universo con il Big-Bang), e di vedere questo film al contrario: quello che osserveremmo è il ricomporsi della bomba nella sua interezza. Il Big-Crunch può immaginarsi come il riavvolgersi dell film dell'Universo e del ricomporsi del punto primordiale del Big-Bang . In questo caso, l'Universo è "chiuso".

Se invece la quantità di materia del cosmo non raggiungesse la soglia critica, il cosmo continuerebbe ad espandersi all'infinito (Universo "aperto").
Se la materia totale dell'Universo dovesse rivelarsi infine esattamente uguale alla massa critica, ad un certo momento l'espansione rallenterebbe fino ad arrestarsi e l'Universo entrerebbe in uno stato di stasi permanente (Universo "piatto").

È quindi fondamentale, per capire l'evoluzione futura del cosmo, stabilire quanta materia lo compone.
Gli astronomi sono convinti che le miriadi di stelle e di galassie che osserviamo nell'Universo rappresentano solo una minima porzione di tutta la materia che contiene. Il resto, inaccessibile ai telescopi, deve essere ancora scoperto.
Infatti, galassie che si muovono troppo velocemente e stelle che sembrano rifiutarsi di obbedire alle leggi della dinamica indicano la presenza di materia a noi non visibile, materia oscura, la cui massa, nell'ombra, perturba il balletto cosmico: la massa visibile sarebbe cosi solo una minima parte della materia che compone l'Universo. Il resto, inaccessibile ai telescopi, deve essere ancora scoperto.

Il problema della materia oscura è comparso fin dagli anni '30, quando si è cominciato a studiare il movimento delle galassie. Nel 1933 infatti, l'astronomo Fritz Zwicky, studiando il movimento di sette galassie in una regione di cielo chiamata" l'ammasso di Coma", scoprì che queste galassie si muovono troppo velocemente per le leggi di Newton. Per descrivere il loro movimento sarebbe stat necessaria una quantità di materia almeno 400 volte maggiore di quella osservata nell’ammasso di Coma.

L'ammasso di galassie di Coma

Già, ma dove si trovava questa materia? Mistero. Zwicky soffriva di una reputazione di persona bizzarra, l'astronomia dell'epoca era concentrata su altre tematiche, e così la sua scoperta fu accolta dall'indifferenza generale.

L'immagine della galassia NGC 4414. La nostra galassia, la "Via Lattea" ha un aspetto molto simile.

Ma l'enigma si ripropose negli anni ’70, studiando la rotazione delle galassie. La maggior parte della luce è concentrata al suo centro, mentre i bordi sono meni luminosi. Ci si attende di conseguenza che la maggior parte della massa sia situata al centro. Per le leggi della gravitazione, la velocità di rotazione delle stelle alla periferia dovrebbe essere minore di quella nel nucleo centrale, se questo contenesse la maggior parte della massa totale.
Le velocità osservate invece restano praticamente costanti indicandoci, ancora una volta, la presenza nell'ombra della materia oscura.

Ma cosa succede nello spazio tra le galassie? Osservando l'Universo con dei telescopi "sensibili" ai raggi X si è scoperta l'esistenza di vaste nuvole di gas, alla temperatura di vari milioni di gradi . A questa temperatura, il gas non emette luce visibile, ma emette raggi X. Tuttavia se questo gas risulta così caldo, è perché le particelle che lo compongono sono sottomesse ad un campo gravitazionale intenso che, accelerandole, le conferisce energia e quindi temperatura. Ci vuole circa il triplo della materia visibile per spiegare le temperature raggiunte da questi gas. Ancora una volta entra in gioco la materia oscura.

Quanta materia oscura c'è nell'Universo?
A questa domanda gli astrofisici rispondono osservando le deformazioni che la massa oscura introduce nelle immagini che giungono a noi dagli abissi del cosmo.
Alcune galassie appaiono curiosamente deformate, le stelle ci si presentano come archi luminosi che tagliano il cielo. Queste immagini non sono altro che la deformazione dell`immagine originale da parte di vasti ammassi di materia oscura la cui gravità devia in cammino i raggi luminosi nel loro percorso tra la sorgente luminosa e l’osservatore. Un effetto che viene descritto molto bene dalla relatività generale di Einstein, e che anche aveva suggerito anche Zwicky. Conoscendo la deformazione possiamo, in senso inverso, intuire la distribuzione di materia che l'ha creata.

L'immagine di una stella deformata da una lente gravitazionale

Dopo aver osservato milioni di galassie per misurarne la deformazione gravitazionale, il verdetto è il seguente: la materia visibile nell'Universo raggiunge solo un terzo della sua massa critica. Annunciato nel marzo 2000, questo risultato ha fatto molto rumore in quanto conferma che grandi quantità di materia sono ancora da scoprire.

Si apre a questo punto un altro enigma, pure affascinante e per ora ancora irrisolto: di cosa è composta la materia oscura? Stelle oscure? Buchi neri? Miriadi di pianeti extrasolari o gigantesche nubi di gas?

Gli astrofisici hanno potuto dimostrare che il contributo dei pianeti extrasolari, delle stelle oscure, gas intergalattici è solo un decimo rispetto alla massa oscura aspettata.
E il contributo dei buchi neri? Una moltitudine di questi mostri cosmici, un milione di volte più massivi del Sole, avrebbero certo permesso di risolvere il problema. Anche le osservazioni piu recenti indicano che nell'Universo non sono presenti buchi neri in tale quantità .

E se la soluzione dell'enigma della materia oscura richiedesse ipotesi ancora più "esotiche"? Possiamo supporre che la materia mancante non sia solo oscura ma addirittura "diversa" da quella ordinaria, quella che noi conosciamo, composta dai mattoni fondamentali, protone, neutrone ed elettrone? Sembra proprio così. Ci sono vari candidati, tra cui il neutrino , particella neutra che interagisce molto debolmente con la materia ordinaria: fu il grande indiziato tra gli anni '80 e '90. Purtroppo, con appena qualche millesimo della massa di un elettrone, il neutrino non può certo essere all'altezza del "gravoso" compito che gli si vuole attribuire: così leggero, può contribuire al massimo solo al 20% della massa mancante.
Avendo esaurito le particelle conosciute, oggi ci si rivolge a particelle più esotiche non ancora osservate: monopoli magnetici, anelli di corde cosmiche , o ancora, assioni. Nessuno ha mai visto un assione, ma la sua esistenza è ipotizzata dalla teoria delle interazioni forti, la teoria che descrive i processi all'interno dei nuclei atomici e più ancora all'interno di protoni e neutroni, costituenti del nucleo, tramite l'esistenza dei quark. Come i neutrini, essi sono neutri, interagiscono pochissimo con la materia e possono essere prodotti nelle reazioni nucleari, per cui anche lo stesso Sole dovrebbe produrre un vento continuo di assioni che investe la Terra. Gli assioni permetterebbero tra l'altro di spiegare perché la materia ha avuto la meglio sull'antimateria nei primi istanti dell'Universo .
Uno dei candidati attualmente più accreditati per interpretare il ruolo della materia oscura si chiama WIMP (Weakly Interactive Massive Particle): si tratta, come lo dice il nome stesso, di una particella di massa elevata ma poco interagente con le altre particelle. La caccia alle ipotetiche WIMP vede in primo piano i fisici italiani dell'Istituto nazionale di fisica Nucleare con l'esperimento DAMA , ai Laboratori Nazionali del GranSasso .

Recenti esperimenti aprono tuttavia nuovi interrogativi. Negli ultimi anni, misurando la "luce" residua dell'esplosione del Big Bang, la cosiddetta radiazione di fondo, gli astrofisici si sono accorti che l'universo non solo si espande, ma che sta addirittura accelerando, come mostrano i risultati dell'esperimento WMAP . Per spiegare questo fenomeno si è ipotizzato che nell'Universo non vi siano solo materia visibile e materia oscura, ma anche una grande quantità di “energia nera”, totalmente sconosciuta, e che avrebbe come effetto quello di accelerare l'espansione dell'Universo. Questa energia, di cui ignoriamo tutto, rappresenterebbe il 70% dell'energia totale dell'Universo

Ancora prima di essere risolto, l'enigma della materia oscura cede dunque il posto a un nuovo mistero, un mistero ancor più affascinante.