La materia oscura e i Bullet Cluster

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Nessuno sa per certo cos’è la materia oscura. Ma sappiamo di aver bisogno di qualcosa per spiegare ciò che vediamo nell’universo….

In un recente video di YouTube, un teorico con una borsa di studio post-dottorato al CERN di nome Dorota Grabowska ha discusso della materia oscura con la popolare figura scientifica Dianna Cowern (più comunemente conosciuta come Physics Girl). Sotto il video, uno spettatore ha digitato il commento, “Dark Matter è la scienza che parla… ” non ne abbiamo idea “.” Grabowska afferma di essere sorpresa dal numero di commentatori che sembravano credere che i fisici non sapessero nulla sull’argomento. “Stavano dicendo:” Oh, è solo un conteggio errato della polvere spaziale “o” Non capiamo davvero il magnetismo “, dice Grabowska. “Le persone non stavano realizzando i passaggi che i fisici attraversano per testare un’ipotesi e dire:” Questo non funziona; pensiamo in modo diverso. “”

La nascita della teoria della materia oscura

Le ipotesi scientifiche spesso derivano da un’osservazione anormale, qualcosa che appare inaspettatamente o agisce in modo inaspettato. Tre osservazioni astrofisiche insolite comunemente citate attribuite alla materia oscura sono velocità di rotazione della galassia anormali, modelli nella struttura su larga scala dell’universo e il Bullet Cluster.

Velocità anomale di rotazione della galassia

Basandosi sulla materia visibile nelle galassie, i fisici possono usare le leggi della gravità per prevedere la velocità con cui le stelle ruotano attorno alle galassie. La previsione era che la materia più vicina al centro di una galassia si sarebbe mossa più velocemente, con la materia più lontana dal centro che sentiva meno l’attrazione della gravità e si muoveva più lentamente. Tuttavia, gli astronomi hanno notato per la prima volta all’inizio del XX secolo che stava accadendo il contrario: la materia nelle regioni esterne delle galassie si stava muovendo molto più velocemente del previsto. Trovare queste dinamiche anormali è stato uno dei primi indizi che potremmo perdere qualcosa. Se la materia invisibile costituisce gran parte della massa di una galassia, allora si possono spiegare le regioni più veloci del previsto.

Struttura su larga scala

L’universo primordiale caldo era in parte costituito da nuclei ed elettroni carichi. I fotoni potrebbero trascinare su queste particelle, impedendo la crescita. Ma la materia oscura era immune da questa interazione e, con l’aiuto della gravità, iniziò a formare le proprie strutture. Quando l’universo si è raffreddato abbastanza da consentire la formazione degli atomi, questi atomi (“barioni”) sono stati trascinati nelle strutture della materia oscura, cadendo nei loro potenziali pozzi gravitazionali. Ciò ha lasciato una firma nel cielo chiamata oscillazioni acustiche barioniche, che ricordano le increspature di una pietra che schizza nell’acqua. Il confronto tra le previsioni di una teoria della materia oscura e i dati osservativi di queste oscillazioni, chiamati BAO, e la forma complessiva della “rete cosmica” del nostro universo sono test necessari della forza della teoria.

Il cluster di proiettili Il Bullet

Cluster è un ammasso di galassie creato da una collisione tra altri due ammassi di galassie. I cluster interagivano gravitazionalmente, facendo rallentare la materia in entrambi mentre si attraversavano. Il gas di ciascuno si è scontrato, riscaldandosi e creando un segnale luminoso ai raggi X. Ma mentre ci sono due gruppi di raggi X luminosi di galassie vicino al punto di collisione, una quantità significativa di massa si trova in due “lobi” scuri ancora più lontani dal centro. È come se le galassie si scontrassero, ma ad alcuni dei loro argomenti non importava e continuavano senza ostacoli. La materia oscura sembra attraversare la materia normale come un fantasma. Il Bullet Cluster è considerato una prova cruciale per l’esistenza della materia oscura. È famosa per essere stata la prima fusione di galassie ad essere profondamente studiata, ma da allora gli astronomi hanno trovato molte più fusioni di galassie che mostrano la stessa struttura oscura del “lobo”.

Per essere praticabile, qualsiasi teoria della materia oscura deve spiegare adeguatamente tutti e tre questi fenomeni. “Il testimone viene passato dagli osservatori astrofisici ai teorici, agli sperimentatori”, afferma Grabowska. Gli osservatori annunciano un fenomeno inaspettato ai teorici, che pensano a una possibile spiegazione per questo; gli sperimentatori quindi escogitano un modo per testare tale spiegazione attraverso metodi di rilevazione come la ricerca di una firma gravitazionale o un’interazione tra particelle. “È questo processo di collaborazione massiccia in cui nessuno ha davvero l’unico modo per guardarlo. Hai bisogno di tutti per mettere insieme l’intera immagine. ” Gli scienziati potrebbero non sapere ancora quale sia la spiegazione di queste insolite osservazioni astronomiche, ma hanno qualche idea di cosa non sia.

Le teorie che sono rimaste indietro Grabowska è attenta a notare che è difficile eliminare completamente una teoria della materia oscura. La gamma di masse possibili per una particella di materia oscura si estende su molti ordini di grandezza, dall’assione (la sua massa una piccola frazione di quella di un protone) ai buchi neri stellari (migliaia di volte più massicci del sole). “È molto più facile dire che sai cosa potrebbe essere la materia oscura rispetto a ciò che la materia oscura non può essere”, afferma. “Non puoi dire che un candidato è sfavorevole fino a quando non lo cerchi davvero, e la materia oscura è molto difficile da cercare.” Una cosa di cui i fisici sono sicuri? Non hanno contato male alcuna massa. Le curve di rotazione della galassia potrebbero essere spiegate se ci fosse semplicemente una questione regolare che gli osservatori non misuravano o spiegavano. Alcune teorie ipotizzavano che forse ci fosse una massa più regolare là fuori, ma consisteva in cose come nane marroni, stelle bruciate e piccoli e antichi buchi neri che sono troppo scuri per essere visti correttamente. Gli scienziati hanno ipotizzato che questi enormi oggetti compatti dell’alone (o “MACHO”) potrebbero compensare la questione mancante. Ma non solo i MACHO non spiegano altri fenomeni che indicano l’esistenza della materia oscura, ma ricerche diffuse per questi oggetti non ne hanno trovato abbastanza per rappresentare tutta la materia oscura. Un altro insieme di teorie sulla materia oscura che molti scienziati ritengono inadeguate è la dinamica newtoniana modificata (o “MOND”). Queste teorie propongono una modifica alle leggi del moto di Newton che si applicherebbe solo ad accelerazioni molto piccole, il che spiegherebbe adeguatamente la velocità di rotazione anormale delle galassie. Ma come i MACHO, queste teorie sono inadeguate per spiegare i BAO o le dinamiche degli ammassi di galassie su larga scala. Fanno anche fatica a descrivere il Bullet Cluster.

Alcuni dei candidati più forti per la materia oscura – che spiegherebbero velocità di rotazione della galassia anormali, il Bullet Cluster, i BAO e la struttura su larga scala dell’universo – sono particelle che interagiscono debolmente (o “WIMP”). Ma finora, ricerche approfondite e decennali non hanno ancora rivelato alcuna prova dell’esistenza di candidati della materia oscura WIMP; invece, hanno fissato limiti sempre più rigidi alle loro possibili proprietà. La gamma di candidati validi per una particella di materia oscura è ancora vasta. Include assioni, neutrini sterili e WIMP con interazioni rare o masse estremamente basse. Espandere ulteriormente il campo è la possibilità che non ci sia una sola risposta alla materia oscura: potrebbe essere una combinazione di diversi tipi di particelle o oggetti, oppure potrebbe esserci un intero “settore oscuro” di particelle di materia oscura, come un versione mirror-universe del Modello standard. Smentire in modo definitivo una teoria della materia oscura o un candidato specifico della materia oscura è una sfida: quando smetti di cercare una particella che potrebbe avere quasi qualsiasi massa? Ma l’ampiezza delle prove per la materia oscura consente un controllo molto approfondito. Una teoria della materia oscura ha molto da spiegare; e man mano che gli esperimenti diventano più precisi e i telescopi diventano più nitidi, potremmo essere in grado di cancellarne alcuni dalla nostra lista.

Dorota Grabowska: Defining Chiral Gauge Theories Beyond Perturbation Theory

Fonte:https://www.symmetrymagazine.org/article/what-dark-matter-is-probably-not

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