Se un alieno riuscisse a visitare il nostro universo da una realtà parallela, è molto probabile che non si accorgerebbe nemmeno della nostra esistenza.

In un certo senso è ovvio: l’universo è enorme e il nostro pianeta non è che un piccolo, pallido punto blu. Ma c’è di peggio: gli alieni potrebbero anche non accorgersi di tutte le stelle e dei pianeti che vi orbitano. Potrebbero persino non notare le vaste nuvole di polvere che fluttuano nello spazio.

Tutte queste cose familiari costituiscono solo una frazione della materia del nostro Universo. Il resto è qualcos’altro, un materiale che nessuno sulla Terra ha mai visto.

In mancanza di un nome migliore, i fisici chiamano questa roba “materia oscura”. Se non ci fosse, le galassie volerebbero via. Nessuno sa cosa sia, ma i fisici sono sulle sue tracce.

Tutto ciò che vedi intorno a te, dal tuo corpo al pianeta su cui ti trovi e alle stelle nel cielo, è fatto di atomi. Questi, a loro volta, sono costituiti da particelle più piccole come protoni e neutroni, molte delle quali possono essere scomposte ulteriormente.

Quando i fisici hanno iniziato a capire la composizione degli atomi all’inizio del XX secolo, sembrava che stessimo per capire la base di tutta la materia dell’universo.

Ma nel 1933, un astronomo svizzero chiamato Fritz Zwicky cominciò a sostenere che la maggior parte dell’Universo doveva essere fatta di tutt’altro.

Zwicky contò tutta la materia che poteva osservare in gruppi di galassie. Trovò che non c’era abbastanza materia per spiegare la forza di gravità che le teneva insieme.

Questo era un teorico pazzo che non riusciva a far quadrare le sue forze

Le galassie che Zwicky osservava giravano anche così velocemente che avrebbero dovuto lanciarsi e disperdersi in tutti gli angoli dell’Universo, dice Richard Massey della Durham University nel Regno Unito. Ogni galassia era come una giostra che gira troppo velocemente: ogni cavaliere sarebbe stato sbalzato via.

Zwicky si rese conto che ci doveva essere qualcos’altro, che non poteva osservare direttamente, ma che aveva un’attrazione gravitazionale abbastanza forte da tenere tutto insieme. Disse che questa forma sconosciuta di materia era “oscura”.

All’epoca era considerato un eccentrico e le sue teorie non furono prese sul serio. “Questo era un teorico pazzo che non riusciva a far quadrare le sue forze, e così inventò un’intera nuova forma di materia”, dice Massey.

Il lavoro di Zwicky fu in gran parte dimenticato fino agli anni ’70, quando l’astronoma Vera Rubin scoprì che le galassie vicine non giravano nel modo giusto.

Deve esserci stato qualcosa per impedire a queste stelle di volare via

Nel nostro sistema solare, vale una semplice regola. Più un pianeta è lontano dal Sole, più la forza di gravità è debole. Di conseguenza, questo pianeta si muoverà più lentamente e impiegherà più tempo per completare un’orbita.

La stessa logica dovrebbe applicarsi alle stelle che orbitano intorno al centro di una galassia. Le stelle più lontane dovrebbero muoversi più lentamente perché la presa della gravità si indebolisce.

Invece, Rubin ha scoperto che le stelle più lontane si muovono altrettanto velocemente delle stelle vicine.

Qualcosa doveva esserci per impedire a queste stelle di volare via. Zwicky era stato sulla strada giusta, dopo tutto.

Gli astronomi ora credono che la materia oscura sia stata fondamentale nella creazione dell’Universo come lo conosciamo.

La materia oscura è come il vento: non possiamo vederla direttamente, ma sappiamo che è lì

Quasi 14 miliardi di anni fa, pochi istanti dopo il Big Bang, l’Universo iniziò a espandersi rapidamente e iniziarono a formarsi ammassi di galassie.

Tuttavia, l’Universo non si espanse così velocemente che tutte queste galassie volassero via in angoli lontani. Questo perché la materia oscura tiene tutto insieme, nonostante sia invisibile.

In un certo senso la materia oscura è come il vento: non possiamo vederla direttamente, ma sappiamo che è lì. Per di più, ce n’è molta: circa il 25% dell’Universo.

Confusamente, si dice talvolta che la materia oscura costituisce circa l’80% di tutta la materia dell’Universo. Questo perché solo il 30% dell’Universo è costituito da materia, e la maggior parte di essa è materia oscura. Il resto è energia.

Negli anni ’80, stavano arrivando le prime prove concrete della materia oscura.

La materia oscura è lo scheletro su cui pende la materia ordinaria

Per esempio, nel 1981 un team guidato da Marc Davis dell’Università di Harvard ha eseguito una delle prime indagini galattiche. Si accorsero che le galassie non erano disposte in modo uniforme. Non sono “sparpagliate come la ciliegina su una torta”, dice Carlos Frenk dell’Università di Durham nel Regno Unito.

Invece le galassie si riuniscono in grandi ammassi, ciascuno contenente centinaia di migliaia di galassie. Questi formano schemi intricati conosciuti come “rete cosmica”. Questa rete è legata insieme alla materia oscura.

In altre parole, la materia oscura è lo scheletro su cui pende la materia ordinaria, dice Carolin Crawford dell’Università di Cambridge nel Regno Unito. “Sappiamo che doveva essere presente nell’Universo primordiale. E’ cruciale avere quella roba raggruppata insieme che poi andrà a sviluppare le strutture che vediamo.”

La scoperta di questi ammassi fece scalpore, dice Frenk. Davis, il suo capo all’epoca, lo sfidò a capire perché le galassie fossero disposte in questo modo.

Quando Frenk iniziò la sua ricerca, scoprì che qualcuno sosteneva di averlo preceduto. Nel 1980 un team russo guidato da VA Lyubimov aveva esposto una possibile spiegazione della materia oscura. Avevano proposto che fosse fatta di neutrini.

Abbiamo scoperto che un Universo con materia oscura calda non assomigliava affatto a un Universo reale

Ha un certo senso. I neutrini sono particelle oscure e fantasma che interagiscono a malapena con qualsiasi altra cosa. I ricercatori hanno suggerito che la massa combinata di tutti i neutrini nell’Universo potrebbe spiegare la massa mancante.

C’era un problema. I neutrini sono “materia oscura calda”, cioè sono leggeri e quindi in grado di muoversi velocemente. Quando Frenk ha simulato un cosmo pieno di materia oscura calda, ha scoperto che non poteva funzionare.

“Con nostra grande delusione abbiamo scoperto che un universo con materia oscura calda non assomigliava affatto a un universo reale”, dice Frenk. “Era bello, ma non uno in cui viviamo. C’era questo enorme superammasso di galassie, che sapevamo non esistere.”

Invece, la materia oscura deve essere fredda e in lento movimento. Il passo successivo è stato quello di scoprire dove si trova questa fredda materia oscura.

Anche se non possiamo vederla direttamente, la materia oscura fa una cosa per farsi riconoscere. Piega la luce che la attraversa. È un po’ come quando la luce brilla attraverso una piscina o una finestra smerigliata del bagno.

Abbiamo almeno un’idea approssimativa di dove sia la materia oscura

L’effetto si chiama “lente gravitazionale” e può essere usato per capire dove sono le nuvole di materia oscura. Usando questa tecnica, gli scienziati stanno creando mappe della materia oscura dell’Universo.

Al momento ne hanno mappato solo una frazione. Ma il team dietro uno di questi progetti ha obiettivi ambiziosi, sperando di mappare un ottavo del nostro Universo, pari a milioni di galassie. Per contestualizzare, la nostra galassia, la Via Lattea, contiene miliardi di stelle e forse fino a 100 miliardi di pianeti.

Per ora queste mappe sono troppo grezze per mostrare qualsiasi dettaglio. È come dire che hai un’idea di base dei continenti sulla Terra, ma quello che ti interessa davvero sono le forme delle montagne e dei laghi, dice Gary Prezeau del Jet Propulsion Laboratory della Nasa al California Institute of Technology.

Ancora, abbiamo almeno un’idea approssimativa di dove sia la materia oscura. Ma non sappiamo ancora cosa sia.

Sono state avanzate diverse idee, ma al momento il suggerimento più popolare è che la materia oscura sia fatta di un nuovo tipo di particelle, previsto dalla teoria ma mai rilevato. Si chiamano WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles.

Il termine “WIMP” è solo uno slogan, e potrebbe includere molti tipi diversi di particelle

Le WIMPs sono deboli in ogni senso del mondo, dice Anne Green dell’Università di Nottingham nel Regno Unito. In primo luogo, interagiscono a malapena tra loro, figuriamoci con la materia normale. Quando colpisci un muro, la tua mano si scontra con esso, ma quando una WIMP colpisce un muro o se stessa, di solito passa direttamente attraverso.

La seconda parte della sigla parla da sola. Le WIMP hanno molta massa, anche se non sono necessariamente grandi. Potrebbero pesare centinaia o migliaia di volte più di un protone, dice Green.

Il fatto è che non lo sappiamo.

Il termine “WIMP” è solo uno slogan, e potrebbe includere molti tipi diversi di particelle, dice Massey. Peggio ancora, perché si suppone che siano così fantasma, sono estremamente difficili da rilevare.

A questo punto potreste alzare le braccia in segno di frustrazione. “Prima hanno deciso che c’è tutta questa materia invisibile, ora hanno deciso che è fatta di qualche nuovo tipo di roba che non possono rilevare! Questo è stupido”. Beh, non sei la prima persona a dirlo.

Già nel 1983, alcuni fisici hanno sostenuto che la materia oscura non esiste affatto. Invece, le leggi della gravità come le conosciamo devono essere sbagliate, ed è per questo che le galassie si comportano in modo così strano. Questa idea si chiama MOND, abbreviazione di “Modified Newtonian Dynamics”.

Chiunque voglia inventare una nuova teoria della gravità deve fare meglio di Einstein

“Stiamo interpretando tutte queste giostre dell’universo, come sfrecciano e vengono tirate dalla gravità, assumendo che sappiamo come funziona la gravità”, dice Massey. “

Il problema, dice Massey, è che i sostenitori della MOND non hanno trovato un’alternativa valida alla materia oscura: le loro idee non possono spiegare i dati. “Chiunque voglia inventare una nuova teoria della gravità deve fare meglio di Einstein e spiegare tutto ciò che lui era in grado di spiegare, e anche rendere conto della materia oscura.”

Nel 2006, la NASA ha pubblicato un’immagine spettacolare che, per molti ricercatori, ha ucciso la MOND per sempre.

L’immagine mostra due enormi ammassi di galassie in collisione. Poiché la maggior parte della materia è chiaramente visibile al centro, è qui che ci si aspetta che esista la maggior parte della gravità.

Ci sono tre modi diversi per trovare la materia oscura

Ma le regioni esterne mostrano una luce che viene anche piegata dalla gravità, implicando che c’è un’altra forma di materia in quelle aree. L’immagine è stata salutata come prova diretta dell’esistenza della materia oscura.

Se questo è giusto, siamo di nuovo al punto di partenza. La sfida è trovare la materia oscura quando non sappiamo cosa stiamo cercando.

Può sembrare peggio del vecchio problema dell’ago nel pagliaio, ma in realtà ci sono tre modi diversi per trovarla.

Il primo modo è osservare la materia oscura in azione nel cosmo. Monitorando come si comporta usando le “mappe” esistenti della materia oscura, gli astronomi potrebbero essere in grado di rilevare un incidente occasionale.

Hanno trovato un’area della nostra galassia Via Lattea che sembra brillare di raggi gamma

Le particelle di materia oscura di solito passano attraverso la materia normale. Ma il loro numero significa che, molto occasionalmente, alcune si scontrano con il nucleo di un atomo.

Quando questo accade, la materia oscura “calcia” l’atomo, facendolo ruotare come una palla da biliardo. Questa collisione dovrebbe creare raggi gamma: luce ad altissima energia. In queste rare occasioni, “la materia oscura può brillare”, dice Frenk.

“Ci sono esperimenti di rilevamento diretto che stanno cercando questi rinculi nucleari”, dice Green.

Nel 2014, utilizzando i dati del potente telescopio Fermi della NASA, i ricercatori hanno affermato di aver rilevato i raggi gamma da queste collisioni. Hanno trovato un’area della nostra galassia della Via Lattea che sembra brillare di raggi gamma, forse dalla materia oscura.

I modelli si adattano ai modelli teorici, ma la giuria non ha ancora deciso se i raggi gamma provengono davvero dalla materia oscura. Potrebbero anche provenire da stelle energetiche chiamate pulsar, o da stelle in collasso.

Oltre a collidere con la materia normale, la materia oscura potrebbe occasionalmente urtare se stessa, e c’è un modo per vedere anche questo.

Non si può prendere una nuvola di materia oscura grande come una galassia e metterla sotto un microscopio

La squadra di Massey ha recentemente monitorato le galassie che si scontrano tra loro. Si aspettavano che tutta la materia oscura nelle galassie passasse direttamente, ma invece una parte di essa ha rallentato, rimanendo indietro rispetto alla galassia a cui apparteneva.

Questo indica che ha interagito con altra materia oscura. “Se l’ha fatto, allora questa è la prima prova che si preoccupa solo un po’ del resto del mondo”, dice Massey.

Entrambi questi metodi hanno un grande svantaggio: non si può prendere una nuvola di materia oscura grande come una galassia e metterla sotto un microscopio. Sono troppo grandi e troppo lontani.

Così un secondo modo di rilevare la materia oscura sarebbe quello di crearla prima.

I fisici sperano di fare proprio questo utilizzando collisori di particelle, come il Large Hadron Collider (LHC) a Ginevra, Svizzera.

L’LHC fa scontrare i protoni a velocità prossime a quelle della luce. Queste collisioni sono abbastanza potenti da rompere i protoni nelle loro parti costitutive. L’LHC studia poi questi detriti subatomici.

Durante queste potenti collisioni, nuove particelle come le WIMP potrebbero essere scoperte, dice Malcolm Fairbairn del Kings College di Londra nel Regno Unito.

“Se le WIMP costituiscono la materia oscura e le scopriamo all’LHC allora abbiamo una buona possibilità di capire di cosa è composta la materia oscura nell’universo”, dice.

Tuttavia, se la materia oscura non è come una WIMP, l’LHC non la rileverà.

Gli scienziati stanno aspettando le rare occasioni in cui le WIMP si scontrano con la materia normale

C’è un’altra difficoltà. Se l’LHC creasse della materia oscura, non la registrerebbe effettivamente sui suoi rivelatori.

Invece, il sistema potrebbe trovare un gruppo di particelle in movimento in una direzione ma niente nell’altra, dice Fairbairn. L’unico modo in cui questo potrebbe accadere è se ci fosse qualcos’altro in movimento che i rivelatori non potrebbero raccogliere. “Se anche questo dovesse fallire, i fisici hanno una terza opzione su cui ripiegare: viaggiare in profondità nel sottosuolo.

In vecchie miniere e dentro le montagne, gli scienziati stanno aspettando le rare occasioni in cui le WIMP si scontrano con la materia normale – lo stesso tipo di collisioni che il telescopio Fermi potrebbe aver osservato nello spazio profondo.

Miliardi di particelle di materia oscura ci attraversano ogni secondo. “Sono nel vostro ufficio, nella vostra stanza, ovunque”, dice Frenk. “

Ci sono stati alcuni falsi allarmi lungo la strada

In teoria dovremmo essere in grado di individuare i piccoli lampi di raggi gamma di queste collisioni. Il problema è che passano anche molte altre cose, comprese le radiazioni sotto forma di raggi cosmici, e questo oscura il segnale della materia oscura.

Da qui gli esperimenti sotterranei: le rocce sopra bloccano la maggior parte delle radiazioni, ma lasciano passare la materia oscura.

Finora, la maggior parte dei fisici concorda che non abbiamo ancora visto alcun segnale convincente da questi rilevatori. Un documento pubblicato nell’agosto 2015 spiega che il rivelatore XENON100 nel Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia non è riuscito a trovare nulla.

Ci sono stati alcuni falsi allarmi lungo la strada. Un altro team dello stesso laboratorio, utilizzando un diverso rivelatore, ha sostenuto per anni che il loro esperimento DAMA aveva rilevato la materia oscura. Sembra che abbiano trovato qualcosa, ma la maggior parte dei fisici dice che non è una WIMP.

Uno di questi rivelatori, o l’LHC, potrebbe ancora trovare della materia oscura. Ma trovarla in un solo posto non sarà sufficiente.

È un umile promemoria di quanta strada dobbiamo ancora fare prima di capire davvero il nostro universo

“Alla fine dovremo scoprire la materia oscura in più di un modo per essere sicuri che la cosa che stiamo osservando in laboratorio è la stessa che vola nelle galassie”, dice Fairbairn.

Per ora, la maggior parte del nostro Universo rimane oscuro, e non è chiaro per quanto tempo rimarrà così.

Alcuni cosmologi, tra cui Frenk, sono speranzosi che avremo alcune risposte nel prossimo decennio. Altri, come Green, sono meno fiduciosi. Se l’LHC non trova presto qualcosa, dice, probabilmente stiamo cercando la cosa sbagliata.

Sono passati più di 80 anni da quando Zwicky suggerì per la prima volta l’esistenza della materia oscura. In tutto questo tempo, non siamo stati in grado di entrare in possesso di un campione, o di stabilire cosa sia.

È un umile promemoria di quanta strada dobbiamo ancora fare prima di capire davvero il nostro universo. Possiamo capire ogni sorta di cose, dall’inizio dell’Universo all’evoluzione della vita sulla Terra. Ma la maggior parte del nostro universo è ancora una scatola nera, i suoi segreti aspettano di essere svelati.

Melissa Hogenboom è la scrittrice di BBC Earth, è @melissasuzanneh su twitter.

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