martedì, Novembre 12, 2019
SPAZIO

La materia oscura è più “vecchia” del Big Bang?

Un nuovo studio suggerisce che la materia oscura possa essere più vecchia del Big Bang e come misurarla dalle osservazioni astronomiche

E se la materia oscura fosse nata molto prima del Big Bang? Questa domanda può apparire bizzarra, ma non lo è affatto. Il fatto che negli anni tutti gli esperimenti che hanno dato la caccia a questa materia non visibile all’uomo e ai suoi sofisticati strumenti si siano rivelati un fallimento, potrebbe far pensare che stiamo guardando nel posto o forse nel “tempo” sbagliato. Per Tommi Tenkanen, ricercatore postdoc della Johns Hopkins University, la materia oscura sarebbe nata prima dell’esplosione che ha dato vita al nostro universo come oggi lo conosciamo e potrebbe essere costituita da particelle scalari, come il celebre bosone di Higgs.

Se guardiamo all’universo nella sua attuale configurazione a 13,8 miliardi di anni dal Big Bang, sappiamo che la materia visibile, anche detta ordinaria, costituisce appena il 5% del totale. La massa restante del cosmo è costituita invece per il 27% circa di materia oscura e per il 68% circa di energia oscura. Le ipotesi sulla natura di questa forma di materia sono molte, ma non ne esistono misurazioni dirette. Fino ad oggi infatti i ricercatori hanno osservato gli effetti gravitazionali che la presenza della materia oscura induce, influenzando la formazione delle galassie, degli ammassi di galassie e della loro distribuzione nel cosmo: tutte misure indirette della sua esistenza.

Una simulazione matematica alla base del nuovo studio

Nel nuovo studio pubblicato da Tenkanen sulla rivista Physical Review Letter, il ricercatore ha elaborato una simulazione matematica sull’ipotesi che la materia oscura sia nata prima del Big Bang e propone un modo per osservarla direttamente, utilizzando le osservazioni astronomiche: “Il mio studio rivela una nuova connessione tra la fisica delle particelle e l’astronomia. Se la materia oscura consiste di nuove particelle che sono nate prima del Big Bang, esse hanno influenzato la distribuzione delle galassie nel cielo in un modo unico e quindi osservabile. La connessione quindi può essere utilizzata per identificare le particelle che la compongono e scoprire cosa sia accaduto prima del Big Bang”.

D’altronde per molto tempo i ricercatori hanno ritenuto che la materia oscura fosse semplicemente una sostanza “sopravvissuta” all’esplosione che ha dato vita al nostro universo. Per Tenkanen, però, se così fosse i tantissimi esperimenti di fisica delle particelle che le hanno dato la caccia avrebbero dovuto averla già osservata e così  non è stato.

Il ricercatore ha così utilizzato un nuovo e semplice modello matematico in cui mostra come questa elusiva forma di materia possa essere stata prodotta durante il periodo noto come inflazione cosmica, quando subito dopo la singolarità iniziale in cui tutta la materia era concentrata in un solo punto a temperatura e densità infinita, l’universo si è espando rapidamente ma era comunque costituito da un plasma di particelle elementari molto energetiche a cui erano già applicabili le leggi della fisica che conosciamo.

La materia oscura sia formata da particelle scalari?

Tra le particelle che si sono prodotte in quantità copiose durante la rapida espansione dell’universo primordiale ci sono le cosìdette particelle scalari, di cui ad oggi ne conosciamo un solo esempio. L’unica particella scalare osservata infatti è il celebre bosone di Higgs, che insieme al campo di Higgs costituisce il meccanismo che è considerato il portatore di massa per le particelle.

Tenkanen ha spiegato che ipotizzare che la materia oscura sia formata da particelle scalari, implica che si tratti di particelle più vecchie del Big Bang: “Con lo scenario matematico che ho proposto, non abbiamo bisogno di assumere nuovi tipi di interazioni tra la materia visibile e quella oscura oltre a quella gravitazionale, che sappiamo già intercorrere”.

Anche se l’ipotesi che la materia oscura fosse nata prima del cosmo non è nuova, la teoria di Tenkanen è la prima che è supportata da simulazioni matematiche che dimostrano come gli altri teorici abbiano sempre sottovalutato lo scenario matematico più semplice possibile per determinarne le origini. Il nuovo studio suggerisce inoltre un modo per verificare se questa ipotesi sulle origini della materia oscura sia valida, semplicemente osservando i segni lasciati sulla distribuzione della materia nell’universo.

Il ricercatore ha quindi concluso: “Se questo tipo di materia oscura è troppo elusiva per essere rivelata negli esperimenti di particelle, potrebbe mostrare la sua presenza nelle osservazioni astronomiche”. Per questo motivo, sottolinea Tenkanen, gli astrofisici attendono il lancio nel 2022 del satellite Euclid, frutto dell’omonima missione dell’Agenzia spaziale europea (ESA) il cui obiettivo è quello di mappare il cielo per studiare l’evoluzione dell’universo  e la materia oscura: “Sarà molto eccitante vedere che cosa rivelerà circa la materia oscura e se le sue scoperte potranno essere utilizzate per sbirciare nel tempo prima del Big Bang”.


Leggi anche: C’è materia oscura nelle galassie?

Articolo pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia.   

Immagine: Pixabay

Veronica Nicosia
Aspirante astronauta, astrofisica per formazione, giornalista di professione. Laureata in Fisica e Astrofisica all'Università La Sapienza, vincitrice del Premio giornalistico Riccardo Tomassetti nel 2012 con una inchiesta sull'Hiv. Scrive di scienza, salute, ambiente e tecnologia per Blitz Quotidiano, Oggiscienza, 'O Magazine e Il Giornale.

6 Commenti

  1. cara Veronica, nel tuo articolo c’è una cosa del tutto incomprensibile e non è chiaro se la colpa sia mia, tua o di Tenkanen.
    A un certo punto viene detto: “questa elusiva forma di materia possa essere stata prodotta durante il periodo noto come inflazione cosmica, quando subito dopo la singolarità iniziale in cui tutta la materia era concentrata in un solo punto a temperatura e densità infinita”
    Ci son varie cose che non concordano:
    – ma se il modello standard ipotizza e ammette che il tempo sia nato all’atto del big bang, che senso ha dire “prima del big bang”?
    – se la materia oscura è stata prodotta, come detto nell’articolo, durante la inflazione cosmica…..allora è stata prodotta DOPO il big bang e non prima
    – ma perchè, verrebbe da chiedersi, il nostro Tenkanen va dietro ad assurdità logiche invece di percorrere la strada molto più semplice ed ovvia che dice che la materia oscura non esiste e cerca di spiegare i presunti effetti gravitazionali secondo varie teorie attualmente in discussione che non saranno ovviamente tutte vere ma almeno non offendono la logica. La sacra logica senza la quale ogni teoria è e sarà sempre una balla (come ad esempio la Relatività ristretta … ma di questo ne parliamo un’altra volta – censura permettendo)
    grazie per la attenzione

  2. Ma il periodo dell’inflazione cosmica è dopo il Big Bang , se come ho capito sino ad ora si può dire che lo Spazio , e alcuni sostengono anche il tempo le particelle scalari della materia oscura in che spazio stavano ed eventualmente in un luogo senza tempo come potevano esseci interazioni o eventi tra particelle ?

  3. e se la materia oscura fosse come un fluido pre esistente al Big bang stesso? come un esplosione che avviene sott’acqua, le cui particelle si aggregano interagendo e occupando spazi con meno densita

  4. La cosiddetta “inflazione”,anche se mai dimostrata,nel modello standard viene comunque prevista dopo il big bang. Inoltre la fisica conosciuta per la materia visibile pare non potesse esistere prima del big bang, non essendoci particelle. Quindi dire che la materia oscura è antecedente al big bang equivale ad affermare che la fisica della materia oscura è sconosciuta, e potrebbe perfino non essere composta da particelle, ma da altre entità che non si relazionano assolutamente con la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte. In questo caso dunque nessun esperimento della fisica attuale,se basato su queste tre forze, potrà mai trovarla. Resta solo la forza di gravità ad indicarci dove si trova, cioè intorno e dentro le galassie. Ma è un pò pochino ed un bel rompicapo.
    Ultima considerazione: se la materia e la forza oscura costituiscono il 95% dell’universo e sono nate prima del big bang verrebbe logico sospettare che siano proprio loro ad aver generato le particelle della materia visibile, magari non in un solo punto concentratissimo ma diffusamente nello spazio ovunque la materia oscura fosse già presente ( il che eliminerebbe pure la stranezza dell’inflazione). Mi rendo conto che così bisognerebbe ipotizzare che lo spazio esistesse prima della materia ordinaria, ma è inevitabile se si ammette che la materia oscura esistesse precedentemente. Infine,se si pensa ad un prima ( materia oscura) e ad un dopo ( materia ordinaria) allora significa che non solo si ipotizza che esistesse la spazio ma pure il tempo, viceversa parlare di prima e dopo non avrebbe senso.

  5. Salve, rispondo con un commento generale a tutti voi dato che le domande che sollevate sono simili. Il fatto di affermare che la materia oscura sia “più vecchia” del big bang è una “provocazione”, anzi sarebbe meglio dire un modo per stimolare il dibattito come quello che avete intessuto sotto questo articolo.
    Definire i concetti di spazio e tempo prima, durante e dopo il big bang non è facile, non ci è possibile osservare così indietro, il ché rende a mio parere le teorie che cercano di spiegare i “difetti” del modello cosmologico standard molto affascinanti, anche quella di Tenkanen che pone degli assunti che sembrano assurdi, considerando l’inflazione cosmica come un epoca pre-big bang, nel senso di qualche frazione di secondo appena prima l’espansione, cioè a un tempo dell’ordine tra i 10^-43 e i 10^-35 secondi, che è molto molto inferiore a un secondo dopo la nascita dell’universo, che ad oggi ha 4,3 * 10^17 secondi.
    L’assunto della teoria quindi è di osservare una epoca pre-big bang (caldo), nel senso di un’epoca dove il dominio della materia era dovuto ai soli campi scalari, come si legge anche nell’abstract dell’articolo: “Dark matter (DM) may have its origin in a pre-big-bang epoch, the cosmic inflation. Here, we consider for the first time a broad class of scenarios where a massive free scalar field unavoidably reaches an equilibrium between its classical and quantum dynamics in a characteristic timescale during inflation and sources the DM density”.
    Come tutte le teorie, non si assume che questa sia vera, ma si annovera tra i possibili scenari che potrebbero portare una spiegazione a quelle discrepanze del modello standard che ancora non sono risolte. Inoltre, non abbiamo alcuna idea di quale sia la materia oscura, né delle sue caratteristiche, ma sappiamo solo che interagisce gravitazionalmente da effetti secondari osservati nella formazione delle galassie.
    Per questo la teoria esposta nell’articolo, se vogliamo in modo provocatorio, resta una delle molte teorie sulla materia oscura e sull’inflazione cosmica, da considerare tra i molteplici scenari che tentano di spiegare fenomeni ad oggi fuori dalla nostra comprensione.
    Infine, nella mia modesta opinione, decidere se una teoria su inflazione cosmica, materia oscura, o su cosa ci fosse prima del big bang o nei primi istanti di vita dell’universo, offende o meno la logica, non spetta a me, ma lascio la parola alle misurazioni, se mai ci saranno, che potranno confermarla o smentirla. Intanto, come abbiamo piacevolmente fatto, se ne può parlare 😊

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