Materia oscura: la massa mancante dell'universo, battezzata nel 1906

Nel modello Lambda-CDM che i cosmologi utilizzano oggi per descrivere l'universo, la materia ordinaria — gli atomi che compongono stelle, pianeti e persone — costituisce appena il 5 percento di tutto ciò che esiste. La materia oscura, una forma di massa che nessuno ha mai rilevato direttamente, arriva al 26,8 percento, più di cinque volte tanto, mentre il restante 68,2 percento è costituito dall'energia oscura, un altro mistero che questo articolo tocca solo di sfuggita.

Nessuno ha mai isolato una particella di materia oscura, l'ha fotografata o ha spiegato esattamente di cosa sia fatta. Ciò che ha convinto gli scienziati della sua esistenza è circa un secolo di indizi indiretti: galassie che ruotano più velocemente di quanto dovrebbero, ammassi di galassie che possiedono molta più gravità di quanta la materia visibile possa fornire, e luce che si piega attorno a concentrazioni di massa che non emettono luce propria. Questo articolo ripercorre l'origine di ciascuno di questi indizi, nell'ordine in cui gli astronomi li hanno effettivamente scoperti.

Il termine stesso è più antico della maggior parte delle prove a suo favore. Nel 1906 il matematico e fisico francese Henri Poincaré usò l'espressione matière obscure — letteralmente "materia oscura" — discutendo una precedente stima di Lord Kelvin, secondo cui molte delle innumerevoli stelle vicine al Sole potevano essere corpi oscuri, non luminosi, anziché stelle splendenti. Il saggio di Poincaré uscì decenni prima delle misurazioni sugli ammassi di Fritz Zwicky o degli studi sulle galassie di Vera Rubin: gli astronomi avevano un termine per questo mistero ben prima di averne le prove.

I primi dati concreti arrivarono da Vesto Slipher, che nel 1914 puntò un telescopio verso la galassia di Andromeda ed effettuò quelle che furono le prime misurazioni collegate a ciò che gli astronomi oggi chiamano curva di rotazione galattica — come la velocità orbitale cambia in funzione della distanza dal centro di una galassia.

Slipher scoprì qualcosa di strano: le stelle su un lato del rigonfiamento centrale di Andromeda si avvicinavano alla Terra a circa 320 chilometri al secondo, mentre le stelle sul lato opposto si muovevano solo a circa 280 chilometri al secondo. La discrepanza non era di per sé una prova della materia oscura, ma fu un primo segnale che le galassie a spirale non ruotano nel modo semplice in cui lo fa un sistema solare, e pose una domanda che avrebbe richiesto decenni per essere risolta correttamente.

Fritz Zwicky portò l'enigma oltre nel 1933. L'astrofisico svizzero, che lavorava al Caltech, studiò un ammasso di galassie e cercò di pesarlo in due modi diversi: una volta sommando la luce proveniente dalle galassie che lo componevano, e una volta misurando quanto velocemente queste galassie si muovevano l'una rispetto all'altra sotto la gravità dell'ammasso. Le due risposte non coincidevano.

La stima di Zwicky basata sulle velocità risultò pari a circa 400 volte la massa che le galassie visibili potevano giustificare — un divario troppo ampio per essere spiegato solo con stelle e gas ordinari. Concluse che la maggior parte del materiale gravitante dell'ammasso doveva essere materia oscura, invisibile, un'idea che dovette attendere strumenti migliori prima che il resto dell'astronomia la prendesse sul serio.

Vera Rubin si scontrò con un ostacolo ancor prima di avvicinarsi all'enigma della rotazione galattica: semplicemente ottenere tempo al telescopio. Mentre lavorava alla Carnegie Institution, nel 1965 fece domanda per un tempo di osservazione all'Osservatorio di Palomar, diventando la prima astronoma donna autorizzata a osservare lì.

Ebbe l'occasione di risolvere la questione più grande un decennio dopo. In collaborazione con l'astronomo Kent Ford, Rubin presentò i risultati alla American Astronomical Society nel 1975: nelle galassie a spirale, le stelle vicine al bordo si muovono a una velocità quasi identica a quella delle stelle più vicine al centro, indipendentemente da quanto siano lontane — il che significa che la massa della galassia continua ad aumentare ben oltre il punto in cui finiscono le stelle visibili. Si tratta esattamente del tipo di massa aggiuntiva e invisibile che Zwicky aveva dedotto dagli ammassi di galassie, ora misurata direttamente all'interno di singole galassie.

La gravità fa un'altra cosa utile: piega la luce. La materia oscura non può essere fotografata direttamente, ma una ricerca pubblicata su Nature indica nel lensing gravitazionale il metodo più efficace per rilevarla: la luce proveniente da galassie lontane si piega quando attraversa concentrazioni di massa in primo piano. Poiché l'effetto dipende solo dalla gravità, coinvolge sia la materia oscura sia quella ordinaria, il che lo rende uno dei pochi strumenti in grado di tracciare dove si trovi effettivamente tutta la massa dell'universo.

Questa tecnica ha prodotto alcune mappe di massa dettagliate. Un team internazionale ha analizzato immagini che coprono cinque porzioni di cielo — un'area complessiva pari a circa 2200 Lune piene affiancate — contenenti circa 15 milioni di galassie, seguendo come la gravità della rete cosmica piegasse la loro luce. Separatamente, un team che utilizzava il Cosmic Evolution Survey (COSMOS) del telescopio spaziale Hubble, la più grande indagine dell'universo mai condotta dal telescopio, con il coinvolgimento di 70 astronomi guidati da Nick Scoville del Caltech, ha costruito una mappa tridimensionale della distribuzione della materia oscura usando lo stesso principio del lensing.

I due approcci non sempre concordano nemmeno tra loro con altri metodi. Il team dell'indagine su ampie porzioni di cielo ha scoperto che la propria stima di quanta materia si addensi nel cosmo risultava ben inferiore alla cifra calcolata dalle osservazioni del satellite Planck — una discrepanza che gli scienziati stanno ancora cercando di risolvere.

La materia oscura ha lasciato tracce anche nella luce più antica dell'universo. La radiazione cosmica di fondo — luce rilasciata quando l'universo aveva circa 375.000 anni — porta con sé minuscole differenze di temperatura che testimoniano come la materia, inclusa quella oscura, avesse già iniziato ad addensarsi in quella fase primordiale.

Il satellite Cosmic Background Explorer (COBE) della NASA rilevò per primo queste minuscole differenze di temperatura in tutto il cielo nel 1992, e le missioni successive perfezionarono il quadro. La cronologia ufficiale della NASA colloca questa istantanea in un universo in evoluzione da 13,77 miliardi di anni, un tempo sufficiente perché la gravità trasformasse le piccole fluttuazioni dell'universo primordiale nelle galassie, negli ammassi e nella rete cosmica che gli astronomi mappano oggi.

Non tutti gli astrofisici sono convinti che la materia oscura sia la risposta giusta. Per decenni i ricercatori hanno misurato nello spazio più attrazione gravitazionale di quanta la materia visibile o conosciuta possa giustificare, e la soluzione standard è stata ipotizzare che una massa invisibile colmasse il divario. Una minoranza sostiene invece che il vero problema riguardi la legge di gravità stessa: le galassie sembrano infrangere regole che risalgono al lavoro di Isaac Newton, alla fine del 1600, il che ha mantenuto in vita la dinamica newtoniana modificata, o MOND, come spiegazione rivale.

Nel frattempo, la ricerca diretta di una particella di materia oscura prosegue. Alla fine del 2025, il rivelatore di materia oscura LZ ha escluso interazioni WIMP con sezioni d'urto superiori a 9 GeV/c2 come possibile spiegazione, riportando al contempo la prima rilevazione confermata di neutrini solari da boro-8 attraverso un processo correlato chiamato scattering elastico coerente neutrino-nucleo. Qualunque spiegazione finirà per prevalere, la caccia alla massa mancante dell'universo è ancora pienamente in corso.

• Previsione unica della 'gravità modificata' sfida la materia oscura | ScienceDaily
• La materia oscura potrebbe essere più uniforme del previsto | ESO
• Panoramica WMAP - NASA Science
• ESA - Prima mappa 3D dell'impalcatura di materia oscura dell'universo
• Le mappe della materia oscura rivelano l'impalcatura cosmica | Nature
• Wikipedia: Materia oscura
• Wikipedia: Vera Rubin
• Wikipedia: Curva di rotazione galattica