Forze oscure ostacolano la crescita dell’Universo

Una “forza oscura” aggiuntiva

Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse per l’idea di una “forza oscura” aggiuntiva perché alcune delle osservazioni ad alta precisione dell’Universo sembrano raccontare storie leggermente diverse tra loro. Le misure dell’espansione cosmica nel corso della storia dell’Universo e quelle della crescita delle galassie e delle strutture cosmiche non sempre si accordano perfettamente con quanto previsto.

Alcune recenti osservazioni dell’Universo distante suggeriscono che l’espansione cosmica possa essere stata leggermente più lenta in passato rispetto alle previsioni del modello cosmologico standard, mentre le osservazioni della radiazione cosmica di fondo a microonde (una traccia antichissima dell’Universo “bambino”) indicano da tempo che la materia potrebbe essere più densa del previsto sulle scale cosmiche più grandi.

Sebbene queste discrepanze siano piccole, hanno spinto i ricercatori a chiedersi se al modello cosmologico attuale manchi qualche ingrediente fondamentale.

Una possibilità è che le particelle di materia oscura siano soggette a una forza aggiuntiva che opera esclusivamente tra di esse — da qui il termine “forza oscura”. Una forza di questo tipo potrebbe influenzare sia l’espansione dell’Universo sia la formazione delle strutture cosmiche, contribuendo potenzialmente a spiegare alcune di queste osservazioni enigmatiche.

"Tutto ciò che sappiamo davvero della materia oscura finora lo abbiamo imparato esclusivamente attraverso i suoi effetti gravitazionali", spiega Zachary Weiner, ricercatore del Perimeter Institute for Theoretical Physics e fra gli autori dello studio. "Questo lascia aperta la possibilità che la materia oscura possieda interazioni aggiuntive nascoste alla materia ordinaria."

Per indagare questa ipotesi, i ricercatori hanno studiato una classe di modelli teorici in cui le particelle di materia oscura interagiscono attraverso una forza a lungo raggio supplementare oltre alla gravità.

Utilizzando calcoli teorici e dati cosmologici, hanno esaminato come una forza del genere influenzerebbe sia l’espansione dell’Universo sia la crescita delle strutture cosmiche su larga scala.

Risultati inattesi

A prima vista, il risultato sembra ovvio. Se le particelle di materia oscura possono attrarsi attraverso una forza aggiuntiva, dovrebbero aggregarsi in modo più efficiente. Questo effetto potrebbe anche contribuire a spiegare perché alcune osservazioni sembrano suggerire che l’Universo sia composto di strutture più dense del previsto.

"La prima cosa che ci si aspetterebbe è che attribuire alla materia oscura una forza attrattiva aggiuntiva faccia crescere le strutture più rapidamente", afferma Weiner. "In realtà però entra in gioco anche un altro effetto."

Nel modello studiato dai ricercatori, la forza supplementare aiuta effettivamente la materia oscura ad aggregarsi più facilmente. Tuttavia, lo stesso meccanismo modifica anche il modo in cui la materia oscura evolve durante l’espansione dell’Universo: in pratica, le particelle di materia oscura diventano progressivamente più leggere nel tempo.

Di conseguenza, l’aumento dell’aggregazione non è sufficiente a incrementare l’impronta gravitazionale della materia sulla radiazione cosmica di fondo. Al contrario, l’effetto complessivo è generalmente una soppressione della crescita delle strutture cosmiche.
I risultati potrebbero avere implicazioni che vanno oltre la materia oscura stessa. Alcuni modelli proposti per spiegare le recenti osservazioni del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) si basano infatti sullo stesso tipo di interazioni della materia oscura esplorate in questo studio. Secondo i ricercatori, il meccanismo identificato qui è probabilmente rilevante anche per molti di questi scenari più complessi.

Con l’arrivo di osservazioni sempre più precise da nuovi progetti e strumenti di osservazione astronomica, studi come questo potrebbero aiutare a comprendere quali proprietà nascoste possa — e non possa — possedere la materia oscura.
"L’Universo è spesso più complesso di quanto suggerisca la nostra intuizione", conclude Weiner. "Ed è proprio per questo che dobbiamo continuare a mettere alla prova queste idee."