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Questo post trae spunto da un articolo apparso su Le Scienze di questo mese (settembre 2015), a proposito dell’ormai (mediaticamente) celebre materia oscura. L’articolo è firmato da Bogdan A. Dobrescu e Don Lincoln, due scienziati che lavorano al Fermilab di Batavia (Illinois); se ne può leggere l’abstract online a questo indirizzo (anche l’intero articolo, ma occorre essere abbonati alla rivista). Il punto di vista descritto dagli autori apre scenari molto interessanti per la fantascienza. Per capire perché, credo che valga la pena di partire dall’inizio.

Che cos’è la materia oscura?

Nel 1970 sulla rivista Astrophysical Journal apparve un articolo firmato da Vera C. Rubin e Kent Ford[1] destinato ad avere un impatto sull’astrofisica di proporzioni enormi. Nel corso degli anni successivi gli autori proseguirono lo studio di quello che oggi è chiamato effetto Rubin – Ford, dimostrandone la fondatezza e cambiando letteralmente il mostro modo di vedere l’universo. Qual è il problema?

Tutti (o quasi tutti) sanno quello che afferma la legge di Newton: due corpi dotati di massa esercitano uno sull’altro una forza gravitazionale attrattiva che dipende dall’inverso del quadrato della loro distanza. Se un alieno super evoluto spostasse la Luna dalla sua orbita, e la allontanasse fino a una distanza doppia di quella che la separa attualmente dalla Terra, l’attrazione gravitazionale tra i due corpi celesti diventerebbe un quarto di quella che li lega in questo momento.

La Luna non si allontana da noi perché l’attrazione gravitazionale esercitata dalla Terra compensa esattamente la forza centrifuga dovuta alla rotazione. Questo significa che il nostro alieno dovrebbe anche rallentarla, oltre che allontanarla. In pratica, raddoppiando la distanza dovrebbe dimezzarne la velocità. Questa è una conseguenza del tutto generale della legge di Newton: al crescere della distanza tra due corpi in orbita uno intorno all’altro, le rispettive velocità diminuiscono. Mercurio, che è il pianeta più vicino al Sole, è più veloce di Venere, che a sua volta è più veloce della Terra e così via.

Ci si aspetta che qualcosa di simile avvenga anche in una galassia, che è un oggetto formato da stelle, nubi di polvere e gas in orbita intorno a un comune centro di massa. Le stelle molto vicine al nucleo galattico devono muoversi veloci, per compensare la gravità più intensa; al contrario, quelle della periferia possono permettersi di ruotare lentamente. Questo è proprio quello che NON succede, come scoprirono Rubin e Ford: la distribuzione delle velocità delle stelle nei dischi galattici è piatta, e sembra ignorare le più elementari leggi della fisica newtoniana.

L’effetto Rubin – Ford

Come si spiega questo fatto? E’ possibile, naturalmente, che la fisica che conosciamo sia sbagliata. Questa idea è stata portata avanti da Mordehai Milgrom, un fisico israeliano che ha suggerito che il secondo principio della dinamica sia valido solo se l’accelerazione è grande a sufficienza. Secondo Milgrom, se l’accelerazione è molto piccola la legge deve essere modificata, e la forza non sarebbe proporzionale all’accelerazione ma al suo quadrato. Questa teoria prende il nome di MOND (Modified Newtonian Dynamics); la maggior parte degli addetti ai lavori non ci crede, tuttavia non mi risulta che in questo momento sia stata falsificata.

L’alternativa è ritenere che le galassie contengano molta più materia di quella che riusciamo a vedere (la famosa materia oscura), con una distribuzione tale da produrre le velocità osservate delle stelle. E’ questa l’ipotesi oggi dominante nel mondo scientifico.

L’esistenza della materia oscura è confermata da molte osservazioni di tipo diverso. Le stesse galassie, che si radunano in ammassi, presentano velocità individuali maggiori (o molto maggiori) di quello che ci si aspetterebbe sulla base delle stime delle loro masse “visibili”. Si sono osservati casi di lenti gravitazionali generate da oggetti che sembrano non esistere. Nel 2006 la NASA ha annunciato di avere trovato prove dirette dell’esistenza della materia oscura in una coppia di ammassi in collisione. Anche la recente scoperta di un eccesso di positroni dei raggi cosmici viene collegata all’esistenza della materia oscura.

Che cos’è la materia oscura?

Per diverso tempo la convinzione generale degli astronomi fu che la materia oscura fosse costituita da oggetti astronomici troppo poco luminosi per essere osservati direttamente, come nane brune e pianeti giganti. A questa classe di oggetti venne dato il buffo nome di MACHOs (MAssive Compact Halo Objects). Studi successivi dimostrarono che le cose non potevano stare così. Si pensò quindi a qualche forma esotica di materia che interagisse debolmente con la materia ordinaria. Le particelle corrispondenti vennero chiamate WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), che alla lettera significa smidollate (visto che non erano machos…), in attesa che qualcuno le rivelasse e le classificasse tra le particelle note, o per lo meno tra quelle ipotetiche. Ma che cosa sono le WIMP?

In un primo tempo si pensò ai neutrini, di cui l’universo è letteralmente pieno, ma anche in questo caso i conti non tornavano. Furono prese in considerazione le ipotetiche particelle previste dalla supersimmetria, una teoria che fa gongolare i fisici teorici. Tali particelle, per il momento, non sono state rivelate neppure con il super acceleratore LHC, quindi restiamo in attesa: potrebbero esistere, oppure no. Per quello che so, tuttavia, il candidato su cui la maggior parte dei fisici scommette è il mitologico assione. Postulato per la prima volta alla fine degli anni ’70, a seguito di un modello ideato da Roberto Peccei e Helen Quinn per giustificare un’apparente violazione del modello standard delle particelle, l’assione è un po’ come il deus ex machina che, nelle commedie latine, risolveva di colpo tutti i problemi; in particolare, l’esistenza della materia oscura.

In ogni caso, vorrei notare, fino a qui abbiamo immaginato che ci sia una (singola) particella o classe di particelle che rende conto dell’eccesso di massa osservato da Rubin, Ford e da molti altri.

L’articolo di Dobrescu e Lincoln

Ed ecco che, improvvisamente, questo quadro… oscuro si arricchisce di nuovi dettagli, che sembrano emergere come ombre nella tenebra del nostro sapere. Cito dall’abstract dell’articolo de Le Scienze:

Invece di un’unica particella, la materia oscura potrebbe contenere un mondo di particelle e forze che interagirebbero pochissimo con la materia normale… La materia oscura complessa potrebbe formare atomi e molecole oscuri, e raccogliersi a formare dischi galattici invisibili che si sovrappongono ai bracci a spirale della Via Lattea e di altre galassie.

Personalmente non mi occupo di astrofisica da molti anni; probabilmente questa ipotesi è stranota agli addetti ai lavori, e magari anche screditata, non lo so: io non l’avevo mai sentita. Nel leggere l’articolo mi si è aperto davanti agli occhi uno scenario che, se anche fosse scientificamente discutibile, è meraviglioso come spunto fantascientifico. L’idea è che i diversi tipi di particelle oscure potrebbero interagire tra loro attraverso una quinta (?) forza, mediata da quello che gli autori chiamano fotone oscuro. I fotoni oscuri ignorano la materia di cui noi siamo formati, ma permettono aggregazioni di materia oscura per certi versi equivalenti a quelle formate dalla materia ordinaria.

Gli autori sono scienziati, dunque per mestiere molto attenti a non mettere in campo ipotesi facilmente falsificabili. L’articolo, ad esempio, fa notare che non potrebbero in realtà esistere stelle oscure: se ci fossero, ce ne accorgeremmo per via dei loro effetti gravitazionali. In sostanza, i fotoni oscuri (se esistono) devono mediare una forza molto diversa da quella elettromagnetica, quella che corrisponde ai fotoni che noi conosciamo. Tuttavia. La sola possibilità che la materia oscura non formi una specie di “polvere indifferenziata”, ma permetta qualche forma di aggregazione è sufficiente perché la fantasia si spinga oltre. Gli stessi autori dell’articolo chiudono affermando che:

Fino a quando non troveremo [la soluzione al problema della materia oscura] dobbiamo essere aperti a una miriade di spiegazioni, compresa la possibilità affascinante di vivere accanto a una realtà parallela oscura. E non potrebbe darsi che uno scienziato fatto di materia oscura stia rivolgendo lo sguardo ai suoi cieli, interrogandosi su di noi?

In sostanza, gli universi paralleli di cui la fantascienza si è nutrita per decenni potrebbero esistere non in strane quarte dimensioni spaziali, ma proprio qui, dove ci troviamo noi, compenetrati con la sostanza di cui siamo fatti e nello stesso tempo irraggiungibili, impossibili da vedere o da toccare. Per quanto strana possa apparire questa ipotesi, in questo momento scienziati seri ci stanno ragionando sopra. Se LHC (o qualche acceleratore ancora più potente) non troverà tracce delle particelle supersimmetriche, e se l’assione dovesse rivelarsi una pura fantasia, forse dovremmo concludere come Sherlock Holmes che: “una volta eliminato l’impossibile ciò che rimane, per quanto improbabile, deve essere la verità”.

[1] (Rubin, Vera C.; Ford, W. Kent, Jr. (1970). “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions”. ApJ 159: 379)