La materia oscura sembra fredda: cosa rivela la formazione delle galassie e cosa ancora ignoriamo

La materia oscura pone due domande correlate, ma distinte: in che modo influisce sulla struttura dell’universo e di che cosa è composta. La NASA spiega che le simulazioni della formazione delle strutture favoriscono una materia oscura fredda, ossia in movimento lento. Questa preferenza aiuta a descrivere come le galassie e le altre strutture si inseriscano nella storia cosmica, ma non identifica le particelle responsabili.

La distinzione è importante perché qui «fredda» non indica una temperatura misurata con un termometro. Si riferisce alla velocità delle particelle nei modelli. Il confronto tra materia oscura fredda, tiepida e calda consente di studiare quale tipo di movimento produca strutture simili a quelle osservate dagli astronomi.

Una materia invisibile che lascia tracce gravitazionali

La materia ordinaria — quella che compone stelle, pianeti e oggetti quotidiani — interagisce con la luce a diverse lunghezze d’onda. Secondo la descrizione della NASA, la materia oscura non sembra interagire con lo spettro elettromagnetico: non assorbe, riflette né emette luce. Ha però massa e influenza gravitazionalmente la materia ordinaria. Perciò, anche se non è visibile direttamente, i suoi effetti permettono di studiarne l’influenza sul cosmo.

L’agenzia stima che la materia oscura rappresenti circa il 27% dell’universo, rispetto a circa il 5% della materia ordinaria; il resto viene attribuito all’energia oscura. Segnala inoltre che la materia oscura costituisce la maggior parte della massa delle galassie e degli ammassi di galassie. Queste proporzioni sono stime fornite dalla NASA come contesto per spiegare il ruolo delle diverse componenti cosmiche.

Un modo per tracciare questa massa è osservare come la gravità di grandi concentrazioni di materia curvi lo spaziotempo e devii la luce di oggetti lontani. Il fenomeno si chiama lente gravitazionale. Le distorsioni osservate permettono di indagare la distribuzione della massa, compresa la parte che non emette luce.

Che cosa confrontano le simulazioni

La spiegazione della NASA descrive simulazioni che mettono alla prova diverse velocità della materia oscura. Nei modelli di materia oscura fredda e lenta, le strutture dell’universo si formano e si muovono in modo simile a quanto osservato. Nelle simulazioni con materia oscura tiepida o calda, invece, le strutture non sembrano rimanere unite nel modo necessario per riprodurre quelle osservazioni.

In base a questo confronto, l’agenzia riassume che gli scienziati considerano più probabile che la materia oscura sia fredda o si muova lentamente. Aggiunge che potrebbe essersi formata nell’universo primordiale con una velocità sufficientemente bassa da consentire alle galassie di formarsi e distribuirsi come le vediamo oggi. È un’inferenza basata sul comportamento delle strutture nei modelli: indica quale tipo di movimento si accorda meglio con il quadro osservato, non la composizione della materia oscura.

L’idea di «fredda» va quindi intesa nell’ambito di questo confronto. La domanda non è se il materiale sia freddo nel senso comune, ma se le sue particelle si muovano abbastanza lentamente da aggregarsi e favorire la formazione di strutture cosmiche.

Dalla descrizione cosmologica alle particelle ipotetiche

La NASA riporta diverse proposte su che cosa potrebbe costituire la materia oscura. Tra queste ci sono le WIMP, sigla di particelle massive debolmente interagenti. L’agenzia le descrive come particelle ipotetiche, pesanti e lente, che non assorbono né emettono luce e non interagiscono fortemente con le particelle finora conosciute. Si ritiene che potrebbero interagire tramite la gravità e forse altre forze, attraversando così la materia ordinaria quasi senza ostacoli.

Alcuni modelli ipotizzano che, quando certe WIMP si incontrano, possano annichilirsi a vicenda e produrre raggi gamma. La NASA riferisce che nei dati del telescopio spaziale Fermi per i raggi gamma sono stati cercati possibili segnali di questo processo. Descrivere una ricerca, tuttavia, non equivale a confermare l’esistenza delle WIMP.

Un altro candidato sono gli assioni, particelle subatomiche ipotetiche considerate di massa ed energia ridotte. Furono proposti nel 1977 come possibile soluzione a un problema della fisica delle particelle chiamato problema CP forte. L’ipotesi prevede che gli assioni possano costituire la materia oscura. La NASA segnala inoltre che sono stati utilizzati dati dei telescopi Fermi, Chandra e NuSTAR per cercare indizi di oscillazioni degli assioni nelle osservazioni a raggi X e gamma.

Che cosa consentono di affermare le simulazioni

La preferenza per una materia oscura lenta e la ricerca di candidati appartengono a livelli diversi della ricerca. Le simulazioni confrontano gli effetti che velocità differenti avrebbero sulla formazione e sulla coesione delle strutture. Le ricerche di particelle, invece, cercano segnali associati a proposte specifiche. Il fatto che un modello cosmologico si accordi meglio con le strutture osservate non basta, da solo, a scegliere tra WIMP, assioni o altre spiegazioni.

La stessa NASA presenta varie possibilità e segnala che la materia oscura potrebbe essere composta da più di un tipo di materia o particella. Nella pagina che riassume questi candidati, l’agenzia afferma che non sono state trovate prove a conferma di nessuno di quelli descritti. La conclusione sostenuta dal materiale disponibile è quindi circoscritta: le simulazioni favoriscono la materia oscura fredda o lenta come spiegazione della struttura cosmica osservata, mentre la sua identità fisica resta ignota.

Un indizio sulla storia del cosmo

Capire come è distribuita la materia oscura può aiutare a ricostruire come si sono organizzate ed evolute le galassie. La NASA presenta le simulazioni come un modo per collegare il movimento della materia oscura alla formazione di queste strutture. La preferenza per particelle lente indica una condizione che permette alla materia di aggregarsi nei modelli; da sola, non risolve la natura di quelle particelle.

Il quadro è quindi diviso tra un indizio cosmologico e un’incognita microscopica. Il primo favorisce la materia oscura fredda perché le relative simulazioni corrispondono meglio alle strutture osservate. La seconda — quale entità fisica produca quegli effetti gravitazionali — resta aperta tra candidati ipotetici come WIMP e assioni. Tenere separate le due domande evita di trasformare una spiegazione della formazione delle galassie in un’identificazione che le prove citate non forniscono.