La materia oscura, il materiale invisibile che costituisce la stragrande maggioranza della massa dell'universo, può assemblarsi in atomi, mostrano nuove simulazioni. Questi "atomi oscuri" possono cambiare radicalmente l'evoluzione delle galassie e la formazione delle stelle, offrendo agli astronomi una nuova opportunità per comprendere questa misteriosa sostanza.
La materia oscura costituisce oltre l'80% della massa di ogni galassia e ammasso di galassie nell'universo. Tutte le nostre osservazioni indicano che la materia oscura è un nuovo tipo di particella che non interagisce con la materia ordinaria e nemmeno con la luce. Possiamo identificare la materia oscura solo attraverso la sua interazione gravitazionale con tutto il resto. Qualunque sia la materia oscura, è al di là della nostra moderna comprensione della fisica. Ma ha ancora massa, e quindi gravità.
Non sappiamo ancora se la materia oscura sia semplice o complessa. Può essere costituito da un solo tipo di particella che domina l'universo e difficilmente interagisce anche con se stessa. Oppure può consistere di diversi tipi di particelle, con la stessa ricca varietà che vediamo nella materia ordinaria. Inoltre, conosciamo solo quattro forze fondamentali della natura: la gravità, l'elettromagnetismo, l'interazione nucleare forte e l'interazione nucleare debole. Ma potrebbero esserci forze aggiuntive che agiscono solo tra le particelle di materia oscura e non influenzano affatto la materia normale.
Il concetto di ulteriori particelle di materia oscura e forze oscure non è così inverosimile come potrebbe sembrare. La nostra comprensione della fisica si basa sulle simmetrie, che sono profonde relazioni matematiche tra le particelle. È possibile che ci siano ulteriori simmetrie nelle leggi della natura che fanno della materia oscura una controparte della materia normale, e che per ogni tipo di interazione in cui la materia normale può impegnarsi, ci sia una controparte nel settore oscuro.
Ad esempio, dalla materia ordinaria possiamo costruire atomi semplici: un protone e un elettrone, collegati tra loro, con un fotone, portatore della forza elettromagnetica, che media l'interazione. Possiamo anche avere una versione della stessa struttura della materia oscura, con un protone oscuro legato a elettroni oscuri da fotoni oscuri: atomi oscuri.
La materia oscura atomica si comporterebbe in modo molto diverso dalla materia oscura costituita da una sola particella. Ancora più importante, sarebbe molto difficile per la semplice materia oscura aggregarsi, e lo farebbe lentamente, nell'arco di centinaia di milioni di anni. La materia ordinaria si raccoglie in questi ammassi lisci di materia oscura per formare le galassie, ma per il resto conducono vite separate. La materia oscura atomica, tuttavia, può formare le proprie galassie ombra, strutture simili a dischi che imitano le dimensioni e la posizione delle galassie visibili.
Un team di astrofisici ha sfruttato questa intrigante possibilità per modellare l'evoluzione delle galassie e vedere quali differenze osservate potrebbero sorgere. Hanno permesso alla materia oscura atomica di evolversi secondo le proprie forze e poi hanno studiato come queste nuove strutture avrebbero influenzato le galassie visibili attraverso la nuova organizzazione della gravità. Hanno pubblicato i loro risultati in un database di prestampa online ad aprile arXiv.
I ricercatori hanno scoperto che anche una piccola quantità di materia oscura atomica - solo il 6% di tutta la materia oscura nell'universo, escluso il resto - è sufficiente per cambiare radicalmente l'evoluzione delle galassie. Poiché la materia oscura atomica è in grado di interagire, può facilmente condensarsi, perdendo energia attraverso l'emissione di qualche forma di radiazione oscura. Le simulazioni hanno mostrato che un "disco oscuro" appare rapidamente all'interno di ogni galassia, la cui rotazione corrisponde strettamente alla rotazione dei componenti normali visibili.
Da lì, la materia oscura atomica ha continuato a condensarsi, proprio come il normale gas si condensa nelle nuvole e infine nelle stelle. Nella simulazione, la materia oscura atomica ha formato le proprie stelle oscure e potrebbe persino causare la formazione dei propri buchi neri. Questi grumi sono poi affondati nel nucleo galattico, dove la densità è aumentata.
A causa di questa gravità extra, la formazione stellare nei nuclei delle galassie viene accelerata, formando stelle molto più velocemente delle galassie con semplice materia oscura. Queste simulazioni in realtà escludevano alcuni modelli di materia oscura atomica perché quei modelli facevano sì che le loro galassie esaurissero troppo rapidamente il nuovo materiale di formazione stellare.
Ma alcuni modelli sono sopravvissuti agli attuali limiti delle osservazioni, consentendo l'ulteriore possibilità dell'esistenza della materia oscura atomica. I ricercatori sperano che ulteriori studi teorici e sperimentali possano far luce sulla plausibilità di questa intrigante forma di materia esotica. Ad esempio, poiché la materia oscura atomica si condensa in modo così efficiente, potremmo essere in grado di rilevare densi ammassi simili a stelle con futuri studi di microlente gravitazionale utilizzando il telescopio spaziale Nancy Grace della NASA a Roma.
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