Quanto sappiamo di cosa è fatto l’universo?

È piuttosto imbarazzante ammettere che nel secolo scorso i cosmologi non sono stati in grado di capire di cosa sia fatta la maggior parte della materia nell’universo. La materia ordinaria di cui siamo fatti e che condividiamo con oggetti familiari come comete, asteroidi, pianeti e gas interstellari, costituisce solo un sesto del bilancio di massa cosmica di tutta la materia. Il resto è materia invisibile, che non mostra interazioni rilevabili con la materia ordinaria.

Dalla sua scoperta nel 1933 da parte di Fritz Zwicky, la materia oscura ha rappresentato un’anomalia inspiegabile nelle nostre osservazioni dell’Universo. La sua esistenza è stata inizialmente ignorata per quattro decenni dalla corrente principale della scienza. È notevole che questa forma di materia, la cui natura non ci è familiare, domini il bilancio di massa della materia nell’universo.

Si ipotizza che questa materia sia composta da particelle massicce che si sono raffreddate a una temperatura molto bassa come risultato dell’espansione cosmica quando le galassie hanno iniziato a formarsi. Il modello concorda con la maggior parte dei dati cosmologici, inclusa l’immagine dell’universo quando aveva solo 380.000 anni sotto forma di fluttuazioni di luminosità del fondo cosmico a microonde. Su piccola scala, la modellizzazione prevede genericamente cuspidi nella densità della materia oscura al centro di tutte le galassie, nonché una grande abbondanza di galassie nane fino a masse milioni di volte più piccole della Via Lattea.

Ci sono molteplici indizi da dati osservazionali su piccola scala che deviano da queste previsioni generiche. Ad esempio, le galassie nane tendono a mostrare un nucleo piuttosto che una cuspide di densità al centro, anche se sono dominate dalla materia oscura e la loro abbondanza è inferiore alle aspettative. Un modo semplice per rimediare alla situazione, proposto due decenni fa, è che le particelle di materia oscura si disperdano a vicenda e appianano le cuspidi al centro delle galassie nane. L’autointerazione delle particelle di materia oscura non è necessaria in sistemi più grandi come gli ammassi di galassie, dove la materia oscura è stata scoperta per la prima volta.

La principale differenza tra questi sistemi dominati dalla materia oscura sta nelle velocità caratteristiche delle particelle (mentre le galassie nane possiedono pozzi di potenziale gravitazionale poco profondi in cui le particelle si muovono a una velocità caratteristica di 10 chilometri al secondo, gli ammassi di galassie sono milioni di volte più massiccio – con particelle che si muovono cento volte più velocemente).

Dieci anni fa, in un articolo con il professor Neal Weiner della New York University, ho proposto che forse la materia oscura ha interazioni intrinseche simili a particelle caricate elettricamente, come elettroni o protoni. Abbiamo messo in relazione questo possibile comportamento con le proprietà intrinseche delle particelle sconosciute e la loro auto-interazione, vale a dire la nuova fisica oltre il modello standard delle particelle. Ma perché la materia oscura dovrebbe interagire con se stessa così fortemente? Cosa comporta la sua auto-interazione? È una nuova forza della natura?

Un recente articolo sostiene con forza la materia oscura auto-interagita sulla base degli ultimi dati sulle galassie nane all’interno della Via Lattea. Questo mi ha fatto pensare se potesse esserci un modo più semplice per spiegare l’autointerazione e ne ho identificato uno volentieri. L’interazione non richiede una nuova forza della natura, ma potrebbe semplicemente coinvolgere la gravità, che sappiamo che la materia oscura rispetta perché questa è l’interazione che ha permesso la sua scoperta in primo luogo.

Quindi, se la materia oscura è composta da oggetti che pesano diecimila volte la massa del Sole, allora questi oggetti si disperderebbero l’un l’altro gravitazionalmente con una sezione trasversale di dieci centimetri quadrati per grammo per la velocità caratteristica di dieci chilometri al secondo in galassie nane. Come bonus aggiuntivo, la sezione trasversale per lo scattering gravitazionale diminuisce inversamente con la velocità alla quarta potenza, in modo simile a quella delle particelle cariche. Questo potrebbe spiegare perché l’autointerazione della materia oscura ha conseguenze trascurabili per gli ammassi di galassie, come spiegato nel mio recente articolo.

Se la materia oscura è davvero organizzata in oggetti enormi, la domanda è perché? Una possibilità è che questi oggetti siano stati creati primordialmente attraverso una transizione di fase nell’universo primordiale.

Le caratteristiche della materia oscura sono simili alla scoperta di anomalie in ‘Oumuamua, il primo oggetto interstellare avvistato vicino alla Terra. Sia la materia oscura che gli oggetti interstellari anomali sono sconosciuti ma comunque abbondanti. L’universo è più ricco della nostra limitata esperienza terrestre.

Per imparare dalle nuove esperienze, dobbiamo mettere a tacere l’ego degli esperti che tendono a spiegare le anomalie sulla base delle conoscenze passate. Spesso sollevano polvere che impedisce a tutti gli altri di avere una visione chiara. Una volta che la polvere è calata, di solito abbiamo nuove intuizioni sul nostro vicinato cosmico.

Avi Loeb è il capo di Harvard Progetto Galileo, una ricerca scientifica sistematica di prove di manufatti tecnologici extraterrestri. Loeb è il direttore fondatore di Harvard Black Hole Initiative, direttore dell’Institute for Theory and Computation dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e presiede il comitato consultivo per il progetto Breakthrough Starshot. È l’autore di “Extraterrestre: il primo segno di vita intelligente oltre la Terra. ”

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