La materia oscura è un mistero che accompagna fisica e astronomia da quasi un secolo. Dalla sua formulazione, all’inizio del ventesimo secolo, l’idea che debba esistere della materia invisibile, ma capace di far sentire i propri effetti gravitazionali nell’Universo, è diventata sempre più indispensabile per spiegare un grande numero di fenomeni cosmici: dal moto delle galassie, alla loro nascita ed evoluzione. Il problema è che nonostante decenni di ricerche, nessuno è riuscito a dimostrarne l’esistenza.
Non è ancora tempo di arrendersi, comunque, anche perché per la prima volta qualcuno sembra esserci andato realmente vicino: un nuovo studio pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ha infatti osservato la produzione di raggi gamma nel centro della nostra Galassia – la Via Lattea – con intensità e frequenza che sembrano spiegabili solamente chiamando in causa la materia oscura. Confermarlo non sarà facile, ma in futuro potremmo trovarci a ricordare questo giorno come quello in cui abbiamo osservato per la prima volta la materia oscura, l’ingrediente invisibile che forma quasi il 90% della massa dell’Universo.
Un secolo di domande
Di materia oscura fisici e astronomi iniziarono a parlare sporadicamente almeno dalla fine del diciannovesimo secolo, ogni volta che qualcosa non tornava tra osservazioni e calcoli dei movimenti dei corpi celesti. Il più celebre di questi primi accenni alla materia oscura è sicuramente quello di Fritz Zwicky, astrofisico del Caltech che nel 1933 propose questo termine per identificare un tipo sconosciuto di materia invisibile necessario per spiegare i movimenti delle galassie contenute in un raggruppamento noto come ammasso della Chioma.
Zwicky aveva infatti osservato che le galassie esterne dell’ammasso si muovevano a velocità estremamente elevata. Ebbe quindi l’intuizione di stimare la massa totale dell’ammasso utilizzando un teorema della meccanica classica noto come Teorema di Viriale, che lega l’energia cinetica (l’energia di un corpo in movimento determinata dalla sua massa e dalla sua velocità) e quella potenziale (legata all’attrazione gravitazionale tra le masse del sistema). A quel punto, decise di calcolarla anche con un metodo più tradizionale, utilizzando la luminosità delle galassie visibili. E si rese conto di un problema: i conti non tornavano. La massa necessaria per tenere insieme l’ammasso era 400 volte maggiore di quella visibile. Mancava qualcosa, e decise di chiamare quel qualcosa “dunkle Materie”, o materia oscura.
La materia oscura diventa mainstream
L’ipotesi proposta da Zwicky era che la materia oscura fosse materia ordinaria, ma incapace di interagire con le onde elettromagnetiche (la luce). Nei decenni successivi venne dimostrato che i suoi calcoli erano sbagliati di circa un ordine di misura. Ma nonostante tutto, l’intuizione dell’astrofisico era corretta, e l’idea della materia oscura continuò a riaffiorare periodicamente, fino a prendere piede definitivamente negli anni ‘70, quando grazie ai progressi tecnologici avvenuti negli strumenti di osservazione (radiotelescopi, spettrografi, e via dicendo) diversi gruppi di scienziati notarono un’altra anomalia nei moti galattici: le stelle nei bracci delle galassie a spirale – più lontane quindi dal centro galattico – dovrebbero avere velocità orbitali minori rispetto a quelle su orbite più interne, ma questo non accade.
La velocità delle stelle resta più o meno costante a prescindere dalla distanza dal centro galattico, e per spiegarlo serve della materia invisibile che rimpolpi la massa presente nelle zone più esterne delle galassie. Da qui, l’idea che le galassie siano circondate da un alone di materia oscura, che interagisce con quella tradizionale unicamente attraverso la gravità, e aiuta in questo modo a tenerle insieme. Negli anni, le caratteristiche di questa ipotetica materia oscura sono state approfondite, e oggi si ipotizza che sia composta da particelle non barioniche (diverse quindi da protoni e neutroni che compongono la materia ordinaria) note come Weakly Interacting Massive Particles, o Wimp, più pesanti dei protoni ma soggetti unicamente alla forza gravitazionale e all’interazione nucleare debole. Sono queste ipotetiche particelle che i fisici cercano ormai da più di 50 anni, senza grande successo.
La nuova ricerca
I modelli teorici attuali prevedono che le particelle Wimp collidendo tra loro si annichilino, emettendo altre particelle, inclusi fotoni gamma con uno specifico spettro energetico. È di questi fotoni che oggi molti astrofisici vanno a caccia, per cercare una prova tangibile dell’esistenza della materia oscura. È quello che ha fatto anche il team di ricercatori dell’università di Tokyo guidato dall’astrofisico Tomonori Totani, utilizzando il Fermi Gamma-ray Space Telescope della Nasa. E nel loro ultimo lavoro, ritengono di averli trovati.
