L'universo è composto da almeno due tipi di materia. In primo luogo, c'è il materiale che possiamo rilevare, che gli astronomi chiamano materia "barionica". È considerata materia "ordinaria" perché è composta da protoni e neutroni, che possono essere misurati. La materia barionica include stelle e galassie, oltre a tutti gli oggetti che contengono.
Ci sono anche "cose" là fuori nell'universo che non possono essere rilevate attraverso i normali mezzi di osservazione. Tuttavia, esiste perché gli astronomi possono misurare il suo effetto gravitazionale sulla materia barionica. Gli astronomi chiamano questo materiale "materia oscura" perché, beh, è oscuro. Non riflette né emette luce. Questa misteriosa forma di materia presenta alcune grandi sfide per comprendere molte cose sull'universo, risalendo proprio all'inizio, circa 13.7 miliardi di anni fa.
La scoperta della materia oscura
Decenni fa, gli astronomi hanno scoperto che non c'era abbastanza massa nell'universo per spiegare cose come la rotazione delle stelle nelle galassie e i movimenti degli ammassi stellari. La massa influenza il movimento di un oggetto nello spazio, che si tratti di una galassia, di una stella o di un pianeta. A giudicare dal modo in cui ruotavano alcune galassie, ad esempio, sembrava che da qualche parte ci fosse più massa. Non veniva rilevato. In qualche modo "mancava" dall'inventario di massa che hanno assemblato usando stelle e nebulose per assegnare a una galassia una data massa. La dottoressa Vera Rubin e il suo team stavano osservando le galassie quando hanno notato per la prima volta una differenza tra i tassi di rotazione previsti (basati sulle masse stimate di quelle galassie) e i tassi effettivi che hanno osservato.
I ricercatori hanno iniziato a scavare più a fondo per capire dove fosse finita tutta la massa mancante. Hanno considerato che forse la nostra comprensione della fisica, cioè la relatività generale, era difettosa, ma troppe altre cose non tornavano. Quindi, hanno deciso che forse la massa era ancora lì, ma semplicemente non visibile.
Sebbene sia ancora possibile che ci manchi qualcosa di fondamentale nelle nostre teorie sulla gravità, la seconda opzione è stata più appetibile per i fisici. Da quella rivelazione è nata l'idea della materia oscura. Ci sono prove osservative per questo intorno alle galassie e teorie e modelli indicano il coinvolgimento della materia oscura nelle prime fasi della formazione dell'universo. Quindi, astronomi e cosmologi sanno che è là fuori, ma non hanno ancora capito cosa sia.
Materia oscura fredda (CDM)
Allora, cosa potrebbe essere la materia oscura? Per ora, ci sono solo teorie e modelli. In realtà possono essere suddivisi in tre gruppi generali: materia oscura calda (HDM), materia oscura calda (WDM) e materia oscura fredda (CDM).
Dei tre, CDM è stato a lungo il principale candidato per ciò che è questa massa mancante nell'universo. Alcuni ricercatori preferiscono ancora una teoria della combinazione, in cui gli aspetti di tutti e tre i tipi di materia oscura esistono insieme per costituire la massa mancante totale.
Il CDM è un tipo di materia oscura che, se esiste, si muove lentamente rispetto alla velocità della luce. Si pensa che sia stato presente nell'universo sin dall'inizio e molto probabilmente abbia influenzato la crescita e l'evoluzione delle galassie. così come la formazione delle prime stelle. Astronomi e fisici pensano che sia molto probabilmente una particella esotica che non è stata ancora rilevata. Molto probabilmente ha alcune proprietà molto specifiche:
Dovrebbe mancare l'interazione con la forza elettromagnetica. Questo è abbastanza ovvio poiché la materia oscura è oscura. Pertanto non interagisce, riflette o irradia alcun tipo di energia nello spettro elettromagnetico.
Tuttavia, qualsiasi particella candidata che compone la materia oscura fredda dovrebbe tener conto del fatto che deve interagire con un campo gravitazionale. A riprova di ciò, gli astronomi hanno notato che gli accumuli di materia oscura negli ammassi di galassie esercitano un'influenza gravitazionale sulla luce proveniente da oggetti più distanti che passano. Questo cosiddetto "effetto di lente gravitazionale" è stato osservato molte volte.
Candidate Cold Dark Matter Oggetti
Sebbene nessuna materia conosciuta soddisfi tutti i criteri per la materia oscura fredda, sono state avanzate almeno tre teorie per spiegare il CDM (se esistono).
- Particelle massicce che interagiscono debolmente: Conosciute anche come WIMP, queste particelle, per definizione, soddisfano tutte le esigenze del CDM. Tuttavia, nessuna particella di questo tipo è mai stata trovata. I WIMP sono diventati il termine generico per tutti i candidati alla materia oscura fredda, indipendentemente dal motivo per cui si pensa che la particella sorga.
- Assioni: Queste particelle possiedono (almeno marginalmente) le proprietà necessarie della materia oscura, ma per vari motivi probabilmente non sono la risposta alla domanda sulla materia oscura fredda.
- MASCHIO: Questo è un acronimo per Massive Compact Halo Objects, che sono oggetti come buchi neri, antiche stelle di neutroni, nane brune e oggetti planetari. Questi sono tutti non luminosi e massicci. Ma, a causa delle loro grandi dimensioni, sia in termini di volume che di massa, sarebbero relativamente facili da rilevare monitorando le interazioni gravitazionali localizzate. Ci sono problemi con l'ipotesi MACHO. Il moto osservato delle galassie, ad esempio, è uniforme in un modo che sarebbe difficile da spiegare se i MACHO fornissero la massa mancante. Inoltre, gli ammassi stellari richiederebbero una distribuzione molto uniforme di tali oggetti entro i loro confini. Sembra molto improbabile. Inoltre, l'enorme numero di MACHO che dovrebbe essere abbastanza grande per spiegare la massa mancante.
In questo momento, il mistero della materia oscura non ha ancora una soluzione ovvia. Gli astronomi continuano a progettare esperimenti per cercare queste particelle sfuggenti. Quando capiranno cosa sono e come sono distribuiti nell'universo, avranno sbloccato un altro capitolo nella nostra comprensione del cosmo.