di Valerio Vagelli

Il 31 ottobre la comunità scientifica internazionale festeggia il “Dark Matter Day”. Ma cosa è la Materia Oscura, e cosa rende la sua natura così incomprensibile da meritarsi questo nome?La ricerca della Materia Oscura è una delle sfide più stimolanti della fisica ed astrofisica moderna. La sua esistenza rappresenta infatti un intimo legame tra i meccanismi della Natura che regolano l’infinitamente piccolo – le particelle elementari – e l’infinitamente grande e lontano – il nostro Universo. La materia ordinaria che compone gli oggetti che conosciamo, gli esseri viventi, le stelle, le galassie, è composta perlopiù da protoni e neutroni e corrisponde a solo circa il 5% del contenuto energetico dell’Universo. Il restante 95% rappresenta il cosiddetto “lato oscuro” dell’Universo: Materia Oscura, pari a circa il 27%, e Energia Oscura, pari a circa il 68%.

Il contenuto energetico dell'Universo

La maggior parte della massa dell’Universo è infatti composta da materia “invisibile”, dotata di massa gravitazionale ma che tuttavia non emette né riflette luce, e che quindi non può essere osservata con i nostri rivelatori sensibili allo spettro elettromagnetico. Da questa sua proprietà nasce storicamente il nome di “Materia Oscura”, coniato dall’astrofisico Fritz Zwicky nel 1933 quando, osservando il cluster di galassie della Chioma, per poter giustificare la sua conformazione dovette ipotizzare la presenza di massa “invisibile” oltre quanta aveva già stimato dalla luminosità delle galassie che lo compongono.

In seguito ai lavori di Zwicky, molte e variegate sono state le attività scientifiche che hanno confermato l’esistenza della Materia Oscura: studi delle velocità di rotazione delle galassie, osservazioni dell’effetto di lensing gravitazionale, e molte altre. L’Energia Oscura è invece una forma di energia la cui natura oggi non è ancora chiara. Sappiamo tuttavia che esiste, in quanto è proprio l’Energia Oscura che domina i meccanismi di evoluzione dell’Universo su distanze intergalattiche.

Le osservazioni più recenti che hanno contribuito a quantificare in maniera precisa la composizione dell’Universo sono dovute ai risultati scientifici ottenuti dalla missione Planck, osservatorio satellitare ESA con la partecipazione di ASI, che ha operato tra il 2009 e il 2013 per misurare l’immagine del nostro Universo nelle microonde, generata pochissimi istanti dopo il Big Bang.

Il satellite Planck

Analizzando le piccole differenze della intensità di questa radiazione nel cielo, i dati di Planck hanno permesso di consolidare i modelli cosmologici di evoluzione dell’Universo e fornire la stima più accurata a nostra disposizione dell’ammontare di Materia Oscura nell’Universo. La comprensione dei meccanismi di evoluzione dell’Universo e del suo contenuto rappresenta una sfida ancora aperta.

È infatti previsto nel 2022 il lancio in orbita del telescopio Euclid, missione ESA che si pone come obiettivo una serie di osservazioni astrofisiche ad ampio spettro, tra cui lo studio del lato oscuro dell’Universo con misure sinergiche di emissioni nella banda del visibile e del vicino infrarosso di più di un miliardo di galassie.

La missione Euclid

Il contributo italiano alla missione Euclid è estremamente rilevante, con ASI, scienziati di INAF, INFN e Università e con la partecipazione di imprese industriali. Nonostante gli enormi progressi ottenuti negli anni recenti, non abbiamo ancora una spiegazione convincente sulla natura della Energia Oscura. Abbiamo, invece, indicazioni attendibili secondo cui la Materia Oscura possa essere composta, ad esempio, da particelle elementari dotate di massa e in grado di interagire molto debolmente. Tuttavia, nessuna delle particelle elementari previste dal Modello Standard delle Particelle Elementari, il modello fisico ad oggi più completo che descrive in maniera consistente i meccanismi delle interazioni fondamentali della Natura, corrisponde all’identikit prodotto dalle osservazioni cosmologiche. La particella candidata deve essere quindi individuata “oltre” questo Modello Standard, e la sua mancanza nel modello è uno dei principali motivi che spingono la comunità scientifica a cercarne l’identità in fenomeni alla frontiera della fisica e dell’astrofisica. Altre teorie sulla natura della Materia Oscura prevedono altri scenari, ipotizzando ad esempio che la sua origine sia da associare alla presenza di buchi neri primordiali o alla nostra limitata comprensione delle leggi della gravitazione.

Insieme ai tentativi effettuati a terra nei laboratori sotterranei e agli acceleratori di particelle, la ricerca di Materia Oscura richiede anche di alzare gli occhi al cielo, cercando in un approccio “indiretto” tracce misurabili lasciate nelle proprietà della radiazione cosmica dalla presenza di Materia Oscura. Fotoni di alte energie proveniente da diverse sorgenti, come l’affollatissimo centro galattico o sorgenti astrofisiche isolate, possono ad esempio fornire informazioni uniche sulla presenza di ammassi di Materia Oscura nelle sorgenti stesse. Questo rappresenta uno degli obiettivi scientifici dell’osservatorio Fermi, una missione NASA per lo studio dei meccanismi più energetici dell’Universo con ampia partecipazione italiana di ASI, INAF, INFN e Università, operante in orbita dal 2008 e tuttora in funzione. Fermi ha ottenuto importanti risultati, misurando ad esempio un eccesso di fotoni provenienti dal centro galattico potenzialmente associabile alla presenza di una concentrazione di Materia Oscura, ed integrando questa misura con osservazioni di altre sorgenti quali galassie sferiche nane o ammassi di galassie.

Il satellite FERMI

Non solo i fotoni, ma anche i raggi cosmici carichi possono portare con sé, nel loro viaggio nella Galassia, tracce della Materia Oscura che la permea. I raggi cosmici carichi sono principalmente composti da protoni e nuclei di elio, con una piccola componente di nuclei di ioni pesanti (fino al Ferro) ed elettroni. Vi è poi una rarissima componente di antimateria, inferiore al 0.1% e principalmente composta da positroni e anti-protoni. L’osservazione di una sovrabbondanza di antimateria nel flusso di raggi cosmici rappresenterebbe una possibile evidenza della presenza di Materia Oscura nella Galassia.

Pamela

Un possibile eccesso di antimateria nel flusso di positroni è stato osservato per la prima volta dall’esperimento PAMELA, una missione satellitare Russo-italiana supportata da ASI e operativa tra il 2006 e il 2016. Il cuore dello strumento è uno spettrometro magnetico, ovvero un rivelatore in grado di separare raggi cosmici di materia da antimateria in base alla curvatura della loro traiettoria all’interno di un campo magnetico.

Una misura di altissima precisione del flusso di positroni è stata in seguito fornita da AMS-02, un rivelatore di particelle con spettrometro magnetico operante come modulo esterno della Stazione Spaziale Internazionale.

AMS-02 è una missione NASA-DOE a cui l’Italia partecipa con contributi di ASI, INFN e Università italiane prima con lo sviluppo del prototipo AMS-01, che nel 1998 ha realizzato un primo volo sullo Shuttle, per poi installare il rivelatore AMS-02 sulla Stazione Spaziale Internazionale nel 2011, e dove tutt’oggi sta raccogliendo informazioni sulla composizione di tutti i raggi cosmici. AMS-02 ha migliorato ed esteso fino a energie di 1 TeV la misura di positroni, di fatto fornendo una chiara evidenza di un eccesso di antimateria nei raggi cosmici associabile a un segnale di Materia Oscura.

AMS-02

Sempre AMS-02 ha misurato l’abbondanza di antiprotoni fino a circa 500 GeV, misura che non mostra un eccesso evidente ma che risulta tuttavia poco compatibile con i modelli di produzione di antiprotoni nei raggi cosmici in assenza di Materia Oscura.

A questo complicato scenario si aggiungono i risultati prodotti dal rivelatore CALET, una missione JAXA con partecipazione di ASI e Università italiane. CALET è un rivelatore calorimetrico operante all’esterno della Stazione Spaziale Internazionale dal 2015 e specializzato per la misura di elettroni. Pur non avendo capacità di separare materia da antimateria, lo strumento sfrutta le proprietà del suo

Calet

calorimetro con ricostruzione 3D ed alta profondità per misurare raggi cosmici con energie altissime, attualmente irraggiungibili da strumenti spettrometrici. È infatti di CALET, insieme al rivelatore su satellite DAMPE, la misura più accurata del flusso di elettroni e positroni ad energie superiori a 1 TeV, che sta fornendo alla comunità informazioni uniche sia per comprendere la origine dell’eccesso di antimateria osservato da PAMELA e AMS-02, sia per migliorare la comprensione dei meccanismi legati all’ origine, accelerazione e propagazione di tutti raggi cosmici.

Moltissime informazioni sono quindi già a disposizione della comunità scientifica, con i dati delle missioni messi a disposizione per essere analizzati ed i risultati successivamente pubblicati ad esempio attraverso il Cosmic Ray DataBase (CRDB), servizio di accesso pubblico ai dati fornito da Space Scienze Data Center (a Roma, presso ASI). Nuove missioni sono anche in fase di sviluppo da parte della comunità scientifica per poter andare a rispondere ai quesiti ancora aperti. Come ad esempio lo strumento GAPS, missione NASA per il volo di un pallone stratosferico dall’Antartide a cui partecipano anche istituzioni americane, giapponesi e italiane con ASI, INFN e Università, che utilizzerà una tecnica innovativa per la misura di antimateria nucleare nei raggi cosmici misurando i decadimenti di atomi esotici risultanti dalla cattura degli anti-nuclei da parte degli atomi del materiale dei rivelatori dello strumento. Oltre a fornire una misura di precisione di antiprotoni a basse energie, GAPS andrà alla ricerca di nuclei di anti-deuterio e anti-elio, componenti estremamente rare dei raggi cosmici che ad oggi non sono mai state rivelate dai rivelatori nello spazio e la cui osservazione potrebbe fornire informazioni senza precedenti per la comprensione dell’Universo e della natura della Materia Oscura.

GAPS

Gli aspetti da portare alla luce sulla sfuggente natura della Materia Oscura sono ancora molti e vari, e la comunità scientifica sta affrontando questa ricerca con dedizione sempre maggiore, operando esperimenti differenti e multidisciplinari a partire dai laboratori sotterranei fino alle missioni spaziali, ed in cui l’Italia con i suoi ricercatori di enti di ricerca ed Università gioca spesso ruoli determinanti. La potenziale scoperta della Materia Oscura sembra essere ogni giorno più vicina, e potrebbe non essere lontano l’evento che sconvolgerà la nostra comprensione della fisica fondamentale e dell’Universo.

Credit immagine in apertura: Bullet Cluster,  X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch, Optical and lensing map: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe, Lensing map: ESO WF

Credit immagini nell'articolo: ESA, NASA, ASI