Cosa sappiamo veramente della materia oscura? Scienziati di Tokyo scoprono nuovi limiti

Grazie ad una tecnica innovativa, si è riusciti a osservare la luce emessa dalla materia oscura e a misurarne la vita media, con la maggiore precisione mai prima ottenuta, che espressa in secondi risulta maggiore di 10 seguito da 25 zeri!

magellan telescopio — Il telescopio Magellan presso l'Osservatorio di Las Campanas utilizzato dal team giapponese per rivelare la luce emessa dal decadimento della materia oscura. Credit: Yuri Beletsky

Da almeno un secolo gli scienziati cercano di svelare la vera natura delle componenti più misteriose dell’Universo: materia oscura ed energia oscura. Paradossalmente, si stima che dell’Universo il 27% sia costituito di materia oscura, il 69% di energia oscura, e solo il 4% di materia a noi visibile. Quindi, il 96% di ciò che costituisce l’Universo è per noi ancora un mistero.

Solo i 4% di ciò che costituisce l’Universo è a noi accessibile, il rimanente 96% è ancora avvolto nel mistero.

Il termine “oscuro”, introdotto per la prima volta dall'astronomo Fritz Zwicky nel 1933, viene utilizzato per indicare che la natura di materia ed energia oscura sono ancora per noi misteriose.

Sappiamo però che energia e materia oscure hanno proprietà opposte: la materia oscura ha proprietà attrattive (come la materia visibile che conosciamo), mentre l’energia oscura ha proprietà repulsive.

Il destino dell’Universo, cioè la sua progressiva espansione o una sua futura contrazione, dipende proprio dal bilancio tra la forza attrattiva della materia oscura e quella repulsiva dell’energia oscura.

Come abbiamo scoperto la loro esistenza

Sappiamo che il moto dei corpi celesti è legato alla loro massa. Grazie alle leggi di Keplero e alla legge di Gravitazione Universale dal moto possiamo dedurre la massa o, viceversa, conoscendo la massa possiamo descrivere il moto.

Gli astronomi hanno osservato che il moto delle galassie e degli ammassi di galassie, per essere giustificato dalle leggi della fisica, richiede la presenza di una massa di gran lunga superiore a quella osservata.

Dark matter — Astronomi giapponesi sono riusciti a rivelare la luce emessa dal decadimento della materia oscura e misurarne la vita media. Credit: : Physical Review Letters

Quindi, l’esistenza della massa oscura è stata dedotta dall’osservazione come componente necessaria per spiegare il moto osservato di galassie e ammassi di galassie.

L’esistenza dell’energia oscura è stata dedotta dall’osservazione che l'universo è in espansione accelerata. Per giustificare tale accelerazione è stato ipotizzato che esista una componente dell’Universo il cui effetto sia opposto a quello aggregante della materia, cioè respingente, quindi una forma di energia: l’energia oscura.

Tuttavia, conosciamo una proprietà molto importante della materia oscura, cioè la materia oscura nel tempo decade. Cosa significa? Si ipotizza che la materia oscura sia costituita da due diversi tipi di elementi: uno stabile, cioè non muta nel tempo, ed uno instabile che invece tende a trasformarsi in particelle ed energia.

Questa trasformazione viene chiamata decadimento. A seguito del processo di decadimento, la materia oscura perde la sua proprietà iniziale e quindi non è più “oscura”. Si stima che dal Big Bang ad oggi, a causa del decadimento, la materia oscura sia diminuita di circa il 2-5%.

L'energia emessa durante il processo di decadimento altro non è che luce osservabile. Quindi, se non riusciamo ad osservare direttamente la materia oscura possiamo osservarne la luce emessa durante il suo decadimento.

Qual è la novità dal Giappone?

Un team di ricercatori dell’Università Metropolitana di Tokyo ha dato una svolta nello studio della materia oscura attraverso la luce emessa dal suo decadimento, riuscendo a stimarne anche la vita media.

Quando un elemento decade, cioè è soggetto a trasformazione come ad esempio gli elementi radioattivi, è possibile stimare la vita media, intesa come il tempo che si deve aspettare per avere il decadimento.

Si sono focalizzati su due galassie, Leo V e Tucana II, in cui è presente materia oscura e hanno cercato di rivelare la radiazione emessa dal decadimento di un tipo di particella di materia oscura chiamata "simil-assione" (axion-like particle ALP), guardando nella regione spettrale infrarossa. Tuttavia, si sono dovuti confrontare con un grosso problema.

In questa esemplificazione, la luce infrarossa (fascio stretto di colore azzurro) che arriva sullo spettrografo WINERED (rappresentato con un prisma) viene separata dalla luce di fondo con cui era arrivata mescolata.

La luce infrarossa emessa durante il decadimento si mescola con la luce di fondo, cioè proveniente dalla miriade di stelle presenti nell’Universo, con la luce zodiacale, con la luce solare diffusa da parte della polvere interstellare, con la luce emessa dall’atmosfera quando è riscaldata dal Sole.

L’idea innovativa da parte del team è stata quella di considerare che mentre le citate sorgenti di fondo emettono radiazione su un largo intervallo di lunghezze d’onda, la luce di decadimento è concentrata su un intervallo stretto.

Utilizzando il telescopio Magellan Clay da 6.5 metri dell’Osservatorio Astronomico di Las Campanas in Cile e lo spettrografo ad altissima precisione WINERED sono riusciti a separare la radiazione infrarossa di fondo da quella emessa dal decadimento del simil-assione.

In particolare, sono riusciti a misurare un limite superiore ed uno inferiore alle lunghezze d’onda della radiazione di decadimento. Questo ha permesso di ottenere la più precisa misura finora ottenuta sulla vita media del simil-assione, che risulta immensamente lunga. Espressa in secondi è pari a circa 10 seguito da 25 a 26 zeri o, se vogliamo, pari a 10 elevato a cento milioni di volte l’età dell’Universo.

Si tratta di una vita media immensamente lunga. Tuttavia, considerato il numero ancora più enorme di simil-assioni presenti nell'Universo, i suoi decadimenti avvengono di continuo e altrettanto continua è l'emissione di luce da parte degli stessi.

Con sole 4 ore di osservazione continuativa al telescopio Magellan, gli astronomi giapponesi sono riusciti ad osservare sufficiente luce di decadimento da poterne stimare con precisione la vita media.

Riferimenti allo studio:

Wen Yin et al. First Result for Dark Matter Search by WINERED - Phys. Rev. Lett. 134, 051004 – Published 7 February, 2025 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.051004