di  -  lunedì 27 agosto 2012

Nel lontano 2009 scrissi un post riguardo un interessante ma controverso risultato del satellite Pamela. Pamela è un satellite il cui scopo principale è di misurare particelle di antimateria, ma così facendo può insegnarci molto su quello che accade nella nostra Galassia. In particolare è in grado di misurare con molta precisione lo spettro di positroni nella Galassia (i positioni sono gli anti-elettroni), esattamente come il rivelatore AMS-02.

La misura di positroni è interessante anche perché può rappresentare un possibile canale per misurare la materia oscura. Come ho già detto in passato, infatti, noi conosciamo solo la natura di circa il 4% dell’intero Universo, una frazione piccolissima! Il rimanente 96% ci è completamente sconosciuto, o quasi. Sappiamo in realtà che il 22% è composto di materia, anche se è una materia diversa da quella che siamo abituati a misurare e con cui interagiamo. Viene chiamata Materia Oscura, proprio per sottolineare quanto poco la conosciamo.

Certo, nel corso degli ultimi anni abbiamo avuto modo di appurarne l’esistenza in diversi modi. Ultimamente ne ho parlato in questo post. Fondamentalmente l’interazione gravitazionale tra galassie lascia pochi dubbi sulla presenza di una quantità di materia che interagisce gravitazionalmente con tutto il resto, ma che non si fa vedere in altri modi. Niente interazione elettromagnetica, per esempio. Niente decadimenti radioattivi, niente di niente. Insomma, è veramente difficile capire di che cosa questa materia sia fatta se interagisce solo gravitazionalmente.

Per fortuna i fisici sono pieni di risorse (e molta fantasia :-) ) e hanno sviluppato diverse teorie per spiegare la natura della materia oscura. Innanzi tutto si suppone che possa avere una debolissima interazione con la materia. Non abbastanza per essere misurata, ma pur sempre, maggiore di zero. Questa è solo un’ipotesi, ovviamente, però risulta che nel caso esistesse una particella in grado di interagire debolmente, la sua quantità relativa nell’Universo coinciderebbe proprio con il 22% di materia oscura che ci aspettiamo. Questa coincidenza viene chiamata “Wimp miracle”, il miracolo delle wimp (Weakly Interactive Massive Particle – particella massiva debolmente interagente). Inoltre si suppone che le particelle della materia oscura coincidano con le proprie antiparticelle. Particella e antiparticella sono uguali, e quindi se si trovano due particelle vicine, annichiliscono una con l’altra. Particelle con questa particolare caratteristica si chiamano particelle di Majorana, poiché Ettore Majorana è stato il primo a immaginarne l’esistenza.

Questa caratteristica è decisamente utile per osservare la materia oscura. Infatti si può immaginare che al centro di grandi masse, come al centro del Sole o addirittura al centro della Galassia, si concentrino grandi quantità di materia oscura. A quel punto diventa più probabile che due particelle di materia oscura si trovino vicine, e quindi annichiliscano. Quando ciò avviene c’è tutta una serie di prodotti secondari generati da questa annichilazione, prodotti che finalmente possiamo misurare. Nel caso di Pamela si è voluto misurare positroni, un possibile prodotto dell’annichilazione di materia oscura. Effettivamente Pamela ha osservato un’eccesso di positroni dal centro della Galassia, ma sarà veramente materia oscura? Non si può sapere con certezza, perché ci sono molte altre sorgenti di positroni nella zona del centro della Galassia. Per fortuna si possono osservare anche altri canali. Un esempio è la radiazione gamma, ovvero fotoni ad altissima energia.

Le particelle di materia oscura si muovono nei dintorni della nostra Galassia a velocità bassissima, poiché sono state rallentate durante l’espansione dell’Universo. Quando si incontrano, quindi, queste particelle sono quasi ferme e, annichilendo emettono un’energia pari al doppio della massa di ciascuna particella. Per le leggi della conservazione del momento, si può calcolare che quest’energia si manifesta sotto forma di due fotoni, ciascuno con la stessa energia della massa della particella di materia oscura. Quindi dovremmo vedere un picco, molto stretto, praticamente una linea, a un’energia molto precisa. Questa particolare caratteristica rende molto più difficile confondere un segnale così con un segnale astrofisico, che di solito si manifesta come degli spettri molto larghi.

Il satellite Fermi, di cui ho avuto modo di parlare diverso tempo fa, è proprio un rivelatore di radiazione gamma. Come spesso accade per i dati astrofisici, i dati di Fermi sono pubblici e possono essere usati da tutti per sviluppare le proprie analisi. Il giovanissimo ricercatore Christoph Weniger, del Max Planck Institute di Monaco, ha sviluppato un’interessantissima analisi su un set di dati equivalenti a 3 anni e mezzo di osservazione, e ha trovato una caratteristica veramente incredibile. Dopo un’accurata selezione dei dati gli sono rimasti 50 fotoni di numero, e ha osservato che si allineano a una specifica energia, 130 GeV. L’analisi di Weniger, che può essere letta su ArXiv (ed è stata pubblicata su JHEP), potrebbe farci pensare che la materia oscura sia veramente, dopo tutto, una particella con massa equivalente a 130 GeV.

Certo, lo stesso autore sottolinea come la statistica non sia sufficiente per trarre conclusioni definitive. Inoltre diversi membri della collaborazione di Fermi sono molto dubbiosi. Ritengono infatti che Weniger abbia trascurato alcune caratteristiche tecniche importanti dello strumento, che possono aver distorto il risultato. Insomma, c’è ancora molto da studiare, e in queste ultime settimane c’è una pioggia di articoli di diversi ricercatori che vogliono dire la loro su questa possibile scoperta. Altri strumenti più adatti di Fermi, inoltre, verranno lanciati nei prossimi anni per effettuare questa misura con maggiore precisione.

Però, c’è un’altra cosa che stuzzica la mente di molti fisici… una particella di materia oscura a 130 GeV? È un valore pericolosamente vicino alla massa del nuovo arrivato sulla tavola delle particelle elementari: il bosone di Higgs! Il fisico John Wefel, per esempio, si domanda – più vicino allo scherzo che alla scienza – se magari la nostra Galassia è circontata da un alone di bosoni di Higgs, o magari, sono quelli dell’LHC che hanno visto materia oscura, e l’hanno scambiata per l’Higgs. Devo dire che quest’ultima ipotesi sarebbe veramente interessante… !!

22 Commenti »

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  • # 1
    Unas
     scrive: 

    l’unico commento che mi sento di fare sull’articolo è: WOOOW!

  • # 2
    Cipo
     scrive: 

    Bentornata Eleonora, mi sono mancati i tuoi articoli :)

  • # 3
    lozio
     scrive: 

    Nel loooontanisssimo 2009 !!!!!!! :)

  • # 4
    densou
     scrive: 

    non c’è bisogno di guardare fuori puntando in alto se il finale di stagione di Falling Skies ha lasciato un po’ così…. :asd:

  • # 5
    Sisko
     scrive: 

    Gentile dott.sa Presani,
    Mi scusi in anticipo della banalità della domanda che le stò per fare, e spero, non risulti del tutto assurda:
    Da quello che ho capito, l’espansione dell’universo (che a quanto sembra continuerà all’infinito) sembra sia causato appunto dall’esistenza della materia e dall’energia oscura.
    Mi chiedo se per caso è mai stato presa in considerazione l’ipotesi che materia ed energia oscura in realtà non esistano, e che l’espansione sia dovuta a fattori e/o fenomeni esterni all’universo stesso, che quindi presumo, non osservabili da noi che ci troviamo all’interno.
    Grazie.

  • # 6
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Caro Sisko,
    l’espansione dell’Universo è data in generale dalla quantità di massa ed energiadi cui è composto. L’energia oscura, in particolare, ne causa l’accelerazione.
    La tua domanda non è per niente banale, ma la chiave per capire la risposta sta nella definizione di espansione. Infatti l’Universo non si sta espandendo all’interno di qualcosa d’altro, l’espansione è intrinseca alla geometria dell’universo. In pratica due punti a caso dell’Universo si troveranno più distanti l’uno dall’altro tra qualche tempo, ma la dimensione totale dell’Universo rimane la stessa. Se siete a vostro agio con l’inglese vi consiglio questa interessante presentazione: http://www.youtube.com/watch?v=-gAtPyEu0G4&feature=related

  • # 7
    Zafferano
     scrive: 

    Mi associo(in maniera parziale)ai dubbi espressi da Sisko(post#5).

    Non dobbiamo dimenticarci l’origine “bastarda” della teoria sulla materia oscura e sull’energia oscura. Esse, infatti, sono teorie che nascono dalla disperazione degli astrofisici quando si sono accorti che, i dati che provenivano dagli strumenti (sempre piu’ avanzati), erano gravemente in contrasto con quelli derivati dai modelli matematici creati in precedenza (anni ’30-’40). In poche parole l’universo calcolato era diverso dall’universo osservato.
    Di fronte ad una simile incongruenza, in genere, si deduce che: o il modello e’ sbagliato o manca un “ingrediente” nella “ricetta”.

    Nel nostro caso e’ stato scelto il secondo espediente; pero’ e’ tutto da dimostrare che sia una scelta giusta: prima cosa i concetti di materia ed energia oscura mi sembrano eccessivamente grotteschi (e questo non depone a loro favore), seconda cosa piu’ passano gli anni e piu’ gli strumenti ci mostrano altre incongruenze con i modelli matematici.

    PS (All’ autrice del post).
    Mi piacerebbe capire cosa intendi quanto parli di espansione dell’universo. Fino’ora ho sempre pensato, all’espansione dell’universo, come consistente in porzioni di materia ed energia perennemente in allontanamento reciproco (propagazione); ma da come l’hai descritto sembrerebbe che siano i punti geometrici ad allontanarsi. Pero’ un simile concetto ha senso, solo, se associ un secondo sistema di riferimento (Quest’ultimo, ovviamente, non in espansione). Devo ammettere che la cosa mi confonde.

  • # 8
    banryu
     scrive: 

    @Eleonora Presani:
    Complimenti per i tupoi articoli, sono sempre interessanti.
    Mi associo anch’io alla richiesta di spiegazioni di Zafferano (msg #7) su cosa intendi quando parli di “espansione dell’universo”.

  • # 9
    Doraneko
     scrive: 

    @Zafferano
    Immagina l’universo come fosse una stanza con dei mobili all’interno.Non pensare che dopo “l’espansione” di questa stanza tu possa aver spazio per poterci mettere degli altri mobili, perché l’espansione riguarda tutto, mobili compresi.
    Il rapporto di dimensioni tra la stanza e i mobili sarà sempre lo stesso, tutto si è espanso perciò, non è che lo spazio vuoto sia aumentato.

  • # 10
    Paolo Russo
     scrive: 

    @Doraneko
    se fosse come dici tu, allora ciò equivale a “nessuna espansione”; la misura delle cose è sempre “relativa a qualcosa”. Nel caso delle lunghezze, è relativa al metro.Se tutto si allarga, sia il pavimento della tua camera sia i mobili che vi sono dentro, si è allargata anche la tua definizione di metro; ergo è come se non fosse avvenuta nessuna espansione. le cose che misuravano 2 metri prima, continuano a misurare 2 metri dopo.
    Ergo, mi associo alla pertinente domanda di Zafferano; l’ universo si espande rispetto a quale sistema di riferimento?

  • # 11
    Pozzame
     scrive: 

    Ricordo un esempio che avevo visto in un documentario parlando dell’espansione dell’universo:
    Una classe con un tot di banchi che si allarga.
    L’allontanamento avviene tra le galassie, ma non all’interno delle galassie stesse.
    In pratica aumenta lo spazio vuoto tra i banchi ma la dimensione dei banchi è fissa.

    È un esempio calzante o una forzatura?

  • # 12
    banryu
     scrive: 

    @Pozzame: è quello che vorrei capire anche io… parliamo di un aumento di “distanze” o di uno “stiramento” dello spazio-tempo?

  • # 13
    xander75
     scrive: 

    @ Pozzame
    e’ corretto, ma per essere piu’ precisi, essendo l’espansione un moto accelerato, i banchi piu’ vicini a te si allontanano dal tuo con velocita’ minore rispetto a quella dei banchi piu’ distanti, inoltre per i banchi che sono vicinissimi tra loro, la reciproca attrazione gravitazionale e’piu’ forte dell’ azione dell energia oscura, cosicche’ tendono ad avvicinarsi invece che allontanarsi tra loro. La galssia di andromeda e’ la piu’ prossima alla nostra ed infetti non si sta allontanando ma e’ in “rotta di collisione” con la nostra.

  • # 14
    xander75
     scrive: 

    @Paolo Russo
    il metro che si usa per valutare l’espansione e’ la frequenza d’onda della sorgente in allontanamento, chiaro che siccome in questo caso la lunghezza d’onda tende verso il rosso, cioe’ tende a diminuire la sua frequenza, la conclusione e’ solo che lo spazio tra la sorgente e te che stai facendo la rilevazione si stia “stirando”.

  • # 15
    xander75
     scrive: 

    il red shift non e’ un effetto doppler, come invece si legge spessissimo su articoli e testi divulgativi. Cio’ e’ sbagliatissimo perche’ l’effetto doppler e’ davvero un fenomeno prodotto da una sorgente che si allontana da un ricevente in uno spazio “fermo”, l’esempio classico del tono della sirena di ambulanza che si abbassa quando essa si allontana da noi, e cio’ porta naturalmente ad associare l’espansione universale come l’espansione di oggetti che si allontanano tra loro in uno spazio fermo, mentre come giustamente gia’ detto e’ lo spazio omeglio spaziotempo chi si sta dilatando. Quindi red shift NON e’ effetto doppler.

  • # 16
    Doraneko
     scrive: 

    @Paolo Russo
    L’espansione avviene rispetto all’universo stesso,non è osservabile dall’esterno e non percepibile nell’ordine di grandezza del sistema uomo/Terra.
    E si, anche la misura del metro si espande, visto che anch’essa è all’interno dell’universo (nulla può essere al di fuori).
    L’espansione ora come ora porta ad un’allontanamento delle galassie.
    La teoria del Big Rip dice che se quest’espansione non dovesse rallentare addirittura la gravità stessa potrebbe non bastare più per tenere aggregata la materia.
    Infatti l’espansione in questione è più simile ad uno stiramento, superato un certo limite avviene lo strappo.

  • # 17
    Zafferano
     scrive: 

    @xander75
    Sapevo anch’io che, l’espansione dell’universo, viene considerata come una delle cause del redshift, ma se questa espansione e’ di tipo geometrico allora, essa, dovrebbe essere osservabile solo avendo a disposizione un riferimento che non si e’ espanso. Se, al contrario, uso un “metro”, che con il tempo ha avuto la stessa dilatazione, non posso misurare un cambiamento di lunghezza d’onda.
    Non dobbiamo, inoltre, dimenticare che, il redshift, si sta rivelando essere una “brutta bestia”. Piu’ passa il tempo e piu’ vengono fuori delle anomalie; ad esempio il fatto che esso sia quantizzato, o il fatto che vi siano galassie vicinissime, tra loro, ma con un redshift differente; oppure delle accoppiate galassie/stelle, dove le stelle eclissano le galassie, ma possiedono un redshift molto piu’ alto di quest’ultime. Mi domando quanto sia lecito utilizzare, nelle nostre misure, un fenomeno le cui cause non sono completamente conosciute e modellizzate.

    OT
    Ho notato che alcuni si sono messi a parlare di Andromeda e del su moto di avvicinamento. Mi sono sempre domandato quando sia iniziato questo avvicinamento e che cosa lo abbia provocato.

  • # 18
    xander75
     scrive: 

    @zafferano
    “Sapevo anch’io che, l’espansione dell’universo, viene considerata come una delle cause del redshift, ma se questa espansione e’ di tipo geometrico allora, essa, dovrebbe essere osservabile solo avendo a disposizione un riferimento che non si e’ espanso”

    mica vero, se misuri uno spostamento verso il rosso nella frequenza di una sorgente emittente , allora hai inevitabilmente la conferma dello spazio in espansione tra te e la sorgente. questo e’ il punto che hai difficolta’ a comprendere, ti consiglierei di soffermartici a riflettere.

  • # 19
    Zafferano
     scrive: 

    @xander75

    Mi dispiace, ma la sicurezza che ostenti nel definire questa relazione causa/effetto mi sembra ingiustificata.

    E’ un dato di fatto che vi sia un redshift. Tolte le componenti conosciute come: effetto doppler relativistico , iterazioni/aberrazioni, varie, con campi di forza e materia ( incontrati nel suo viaggio), rimangono delle componenti da spiegare. A questo punto, perche’ attribuirle ad una dilatazione geometrica dello spazio?
    Ma, soprattutto perche’ questa e’ osservabile da chi, come noi, ha subito la stessa dilatazione?

    Ti faccio un esempio:
    supponiamo d’avere due strumenti di misura identici che rilevano la lunghezza d’onda di due fotoni emessi da due atomi di idrogeno eccitati. Un fotone e’ stato emesso 13 miliardi di anni fa (da un’atomo distante 13 miliardi di anniluce), mentre l’altro atomo (che e’ distante da noi pochi centimetri) ha emesso il suo fotone pochi microsecondi fa. Anche ipotizzando l’espansione dell’universo, perche’ dovremo osservare una differenza tra le lunghezze d’onda dei due fotoni? Uno di essi ha avuto la sua “dilatazione” durante il periodo in cui ha compiuto il suo viaggio; pero’ anche l’altro ha la stessa lunghezza d’onda espansa. Se l’e’ trovata subito pronta per il fatto che e’ stato emesso con 13 miliardi di anni di ritardo (in un universo piu’ espanso).

    Rimane, percio’, la domanda iniziale: qual’e’ il riferimento (statico) con cui viene osservato l’espansione dello spazio?

    PS
    Torno a ribadire le mie perplessita’ nel basare tutte queste certezze a partire da un fenomeno non, completamente, conosciuto come il redshift.

  • # 20
    Egnatio
     scrive: 

    Avevo capito che l’antimateria non è altro che una forma di materia in cui le cariche elettriche hanno il segno opposto: elettroni-positroni, protoni- antiprotoni…
    Ma che cosa caratterizza l’antimateria oscura se la stessa materia oscura non ha carica elettrica?
    “Inoltre si suppone che le particelle della materia oscura coincidano con le proprie antiparticelle. Particella e antiparticella sono uguali, e quindi se si trovano due particelle vicine, annichiliscono una con l’altra.”
    Se annichiliscono tanto “uguali” non saranno! Devono avere una differenza sostanziale ma che non è nella carica elettrica. E dove allora?
    Grazie.

  • # 21
    Vitaliano
     scrive: 

    Ciao, in realtà non puoi dire che “effettivamente Pamela ha osservato un’eccesso di positroni dal centro della Galassia”. L’eccesso di Pamela non può essere in alcun modo associato a particolari regioni della Galassia, e infatti una delle spiegazione più accreditate al momento è quella legata ala presenza di sorgenti “vicine” (pochi centinaia di parsec da noi, quindi non certo al centro della Galassia), come Pulsars o Supernova Remnants. Ci sono anche lavori che attribuiscono l’eccesso ad effetti eliosferici, quindi il fenomeno sarebbe locale. Purtroppo non è possibile associare direttamente le particelle cariche alle sorgenti in maniera non model-dependente, dato che il loro moto viene completamente randomizzato dal campo magnetico galattico ed eliosferico.

  • # 22
    massimo
     scrive: 

    @Xander75 e Zafferano
    Le vostre osservazioni mi hanno portato alla mente un fatto, non so quanto sensato: se l’espansione dell’universo è di tipo geometrico e isotropo, trascurando interazioni gravitazionali localizzate e altri effetti, un elemento di volume V dovrebbe espandersi di una quantità dV in un tempo t;il nuovo volume sarà V+dV con l’aumento distribuito in modo uniforme intorno all’elemento iniziale V. Immaginiamo un fotone che attraversi questo elemento V durante la sua espansione: esso subirà inizialmente un red-shift e successivamente un blue-shift, tutto nel tempo t cioè durante l’espansione di V.Alla fine i due effetti si annulleranno reciprocamente in ogni punto. Bisognerebbe concludere che l’espansione isotropa non possa avere alcun effetto sulla lunghezza d’onda, al contrario degli effetti gravitazionali e della velocità di allontanamento delle galassie.
    Dove sbaglio?
    Massimo

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