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La materia oscura

by Adriana Carelli
Astronomia

Ci sono alcune cose che sappiamo di non sapere, queste sono la materia oscura e l’. Per questo motivo gli sono alla continua di una spiegazione di queste componenti dell’universo.

IceCube Neutrino Detector

La IceCube è un osservatorio al polo sud dal quale è stato avvistato il Big Bird nel settembre del 2012.  IceCube è un telescopio per situato al polo sud è composto da 5000 rilevatori che sono sparsi in un cubo di circa un km per lato. E’ il telescopio più grande del mondo. Nel corso del tempo IceCube ha rilevato alcuni neutrini estremamente energetici, uno di nome di Big Bird e un’energia di 2 PeV  cioè1 milione di volte l’energia di una radiografia ai denti.

Un neutrino è una particella incredibilmente piccola, si muove quasi alla della luce e non possiede massa, è molto difficile da rilevare perché non interagisce quasi con niente. Se si riuscisse a rilevare, siccome viaggia attraverso l’universo senza essere disturbato, avrebbe informazioni che non possono essere raccolte in nessun altro modo.

I neutrini sono causati da violenti eventi nello spazio. Nel 2012 la luce proveniente da un’esplosione durata un anno, raggiunge la Terra, proviene da 10 miliardi di anni fa, per la prima volta siamo stati capaci di individuare un Blazar chiamato PKS B1424-418.

Il telescopio Fermi

Il telescopio Fermi ha una grande aerea usata per individuare i raggi gamma, cioè le onde con più energia dello spettro elettromagnetico, e gli scienziati hanno notato un aumento di raggi gamma provenienti da un Blazar extragalattico. Un Blazar è una galassia estremamente variabile e piena di energia alimentata da un gigantesco buco nero. Quei raggi gamma erano aumentati 15-30 volte rispetto alla media. Questo evento è coinciso, sia nello spazio che nel tempo, con il neutrino rilevato da IceCube.

Lavorando con il telescopio Fermi a raggi X della NASA, IceCube è stato in grado di collegare il neutrino cosmico rilevato con l’esplosione di raggi gamma dal Blazar. E’ la prima volta che viene stabilito un collegamento causale tra un neutrino e un determinato oggetto extragalattico.

L’aumento di raggi gamma rilevato dal Fermi e il flusso di energia rilevato da altri telescopi, ci permettono di indicare l’esatto Blazar che ha creato il Big Bird. E’ la prima volta che possiamo dire che quel neutrino proviene da quel Blazar.

Il Fermi opera sui neutrini e sui raggi gamma e ha già fatto scoperte stupefacenti. Ha scoperto i Blazar più lontani e più vecchi. I Blazar hanno emesso la loro luce quando l’universo aveva solo 1 miliardo di anni. Solo il 10% della sua età attuale. Il fatto che si siano sviluppati in epoca così antica, mette in dubbio la modalità di formazione dei buchi neri.

I raggi gamma li possiamo rilevare da diversi oggetti, soprattutto nelle parti dell’universo dove si trovano le condizioni più estreme. Questo telescopio studia principalmente le Pulsar, i buchi neri e la materia oscura.

Il software che i fisici usano per il Fermi è molto importante e ha passato molte revisioni nel corso della missione, ma la  è la prima revisione dove abbiamo tenuto conto di tutte le operazioni svolte dal Fermi nella sua orbita.

Questa ha permesso, infatti, di allargare i sensori per i raggi gamma verso energie più alte e più basse. Energie che prima non si riuscivano a rilevare. Questo ci permette di avere una visione totalmente diversa. Ha portato, inoltre, miglioramenti su tutto l’aspetto del rilevamento energetico. Il miglioramento  fatto al software si applica retroattivamente a tutti i dati raccolti e adesso possiamo fare molte più indagini  con i dati che già abbiamo ma anche con i dati che raccoglieremo in futuro.

La ricerca della materia oscura

Le capacità del Fermi si sono concentrate anche sulla ricerca della materia oscura. Facendo questo ha osservato comportamenti inusuali in oggetti che sono ancora inspiegabili. Per esempio ha scoperto una gigantesca struttura nella nostra galassia, che sembrano bolle che si estendono sia sopra che sotto del centro galattico.

Le Bolle di Fermi sono due enormi lobi pieni di gas molto caldo, raggi cosmici e campi magnetici. Sebbene non possano essere viste a occhio nudo, sono molto luminose nei raggi gamma, dove presentano bordi molto nitidi che coincidono piuttosto bene con una struttura biconica evidente nei raggi X.  Sono presenti, inoltre, elettroni estremamente energetici che interagiscono con neutroni a bassa energia e producono raggi gamma, ma nessuno conosce la fonte di questi elettroni.

Al CERN in Svizzera, si aspettano grandi cose dall’acceleratore di particelle LHC, dopo gli ultimi miglioramenti che hanno consentito un innalzamento del 40% della sua potenza. In questo modo si riuscirà a produrre molti più dati di quanto abbia fatto fino ad ora .

L’LHC ha già rilevato la particella Bosone di Higgs, ma quali altri segreti riuscirà a portare alla luce?

Se nelle energie più alte si nascondesse una nuova , adesso abbiamo la possibilità di studiarla e vederla.

Sono già stati visti alcuni segnali che hanno suscitato molta emozione ai fisici teorici nei vari esperimenti portati a termine, potrebbero essere delle fluttuazioni o delle vere e proprie particelle.

Il bosone di Higgs è l’ultimo pezzo del puzzle del delle particelle fondamentali e delle forze che le governano in tutto l’universo.

Vogliamo capire com’è formato l’universo, il suo aspetto e il suo comportamento attuale. I fisici delle particelle studiano le particelle elementari e le loro interazioni. Sono come i pezzi di un puzzle che si mettono insieme per darci una visione più completa dell’universo. Negli ultimi 120 anni abbiamo scoperto tutti i pezzi che si uniscono per darci una teoria che chiamiamo modello standard. Sappiamo però che è una teoria incompleta. Quello che abbiamo è un pezzo del puzzle, ma non sappiamo quanto è grande l’intera figura. Il bosone di Higgs che è stato scoperto nel 2012 ha completato il modello standard, adesso dobbiamo usare il bosone di Higgs per avere accesso ad altre parti del puzzle. Il bosone di Higgs fa da tramite tra il modello standard e le nuove particelle oscure.

Dobbiamo capire meglio come decade il Bosone di Higgs perché quando è stato creato non avevamo strumenti potenti a sufficienza per poterlo capire.

La supersimmetria

Bisogna capire perché la natura preferisce la materia all’antimateria e cosa sia la materia oscura. Una teoria che è stata sviluppata per rispondere a queste domande è chiamata supersimmetria.

Sappiamo che c’è un’ulteriore fonte di gravità nell’universo che non può essere attribuita agli oggetti che possiamo vedere. In questo momento questa fonte viene chiamata materia oscura, perché in parte non sappiamo cosa sia, potrebbero essere formata da particelle riproducibili nell’LHC e la supersimmetria potrebbe descrivere questa materia.

Secondo i fisici la supersimmetria potrebbe spiegare la massa del bosone di Higgs, al momento, infatti, non sappiamo perché il bosone di Higgs possiede la massa che ha.

Quanto è importante la materia oscura? Pensate che forma circa un quarto dell’universo e non sappiamo da cosa sia formata.

I fisici vogliono analizzare ogni minimo dettaglio nei dati. La cosa più emozionante sarebbe trovare qualcosa che non appartiene al modello standard. Attualmente al CERN abbiamo una potenza di 13 TeV  per svolgere gli esperimenti, ma lavoreremo anche con un’intensità molto più alte e potremmo ottenere molti più dati. Con questi nuovi dati potremo capire quale fisica li governa e potremo capire tante cose. Osserveremo processi del modello standard, ma osserveremo anche nuovi fenomeni.

Se gli esperimenti volti a scoprire la materia oscura avranno successo, avremo scoperto cosa forma il 30% dell’universo.

L’energia oscura

Per completare il puzzle manca l’energia oscura, uno dei più grandi misteri della fisica. L’energia è il nome dato un’energia che forma il 70% dell’universo. L’universo quando aveva la metà degli anni attuali si espandeva molto più piano di quanto stia facendo ora. Ha cominciato ad aumentare la velocità circa 7,5 miliardi e mezzo di anni fa.

Lo spazio vuoto contiene una sua energia? E’ una proprietà dello spazio stesso? Questa energia aumenta con l’aumentare dello spazio esistente?

Sappiamo che l’energia oscura ha una pressione negativa, non reagisce alla luce e respinge la gravità.

Dark Energy survey

Uno studio internazionale si sta avvicinando ad un obiettivo del suo . Il Dark Energy Survey  è un progetto internazionale che unisce 400 scienziati di tutto il mondo e usano una camera digitale da 570 MPX collegata al Victor M. Blanco Telescope a Cerro Tololo in Cile. L’energia oscura è stata scoperta grazie ai suoi effetti sull’universo. L’energia oscura è un fenomeno che sta causando l’accelerazione dell’espansione del nostro universo. Sappiamo che esiste, vogliamo capire come agisce, che effetti ha nell’universo e su di noi. La Dark Energy Survey guarderà indietro nel tempo e studierà le supernove. Vogliamo scoprire di più sul destino dell’universo.  L’universo continuerà davvero ad espandersi sempre più velocemente?

Stiamo costruendo telescopi sempre più potenti per poter rispondere a queste domande.

 

Immagine di copertina:

Photo by NASA on Unsplash

Approfondimenti su IceCube e le ricerche della materia oscura:

https://www.youtube.com/channel/UCqhypTo6SWmi5bbVBmUf9NA

Bolle di Fermi:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab8bd0

Supersimmetria:

https://en.wikipedia.org/wiki/Supersymmetry

Dark Energy Survey:

The Telescope

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