Una nuova teoria sulla materia oscura potrebbe risolvere tre enigmi dell'universo in un colpo solo

La materia oscura è uno dei problemi più affascinanti della cosmologia moderna. Viene chiamata “oscura” in quanto non è direttamente osservabile. Infatti, essa non emette e non assorbe luce. Tuttavia esiste, e ce ne accorgiamo osservando i suoi effetti gravitazionali sulla materia visibile.

La materia oscura esercita forze attrattive (a differenza dell’energia oscura che esercita forze repulsive) per cui condiziona il moto della materia visibile. Anzi, poiché costituisce circa il 27% della materia dell’Universo, ne segue che la materia oscura in qualche modo esercita un ruolo fondamentale nel plasmare la struttura e l’evoluzione dell’Universo.

Esistono più modelli per descrivere la materia oscura. Tra questi il modello più usato è quello della materia oscura fredda e “collisionless”, cioè non interagente che, però, se funziona molto bene su larga scala (si pensi alle lenti gravitazionali), fallisce nel descrivere i suoi effetti gravitazionali sulle strutture piccole e dense, come galassie nane, e correnti stellari perturbate.

Dal modello freddo alla materia oscura auto-interagente

Da Hai-Bo Yu dell’Università della California, Riverside, arriva una nuova proposta molto interessante. Non si tratta di un nuovo modello di materia oscura ma di una sua variante chiamata Self-Interacting Dark Matter, o SIDM.

Questa variante è stata recentemente presentata sulla rivista Physical Review Letters. Sostanzialmente, in questa versione del modello cosmologico le particelle di materia oscura riescono ad interagire e scambiare energia e si ipotizza che aloni di materia oscura possano collassare su se stessi formando dei grumi isolati molto compatti dell’ordine di milioni di masse solari.

Proprio questa variante dei grumi collassati, attraverso un meccanismo chiamato collasso gravotermico, riuscirebbe a spiegare gli effetti della materia oscura sulla piccola scala spaziale, cioè proprio su quella scala in cui il modello standard fallisce.

L’idea della Self-Interacting Dark Matter è importante perché riesce a spiegare contemporaneamente tre anomalie diverse potendo agire in ambienti molto lontani tra loro come i sistemi di lenti gravitazionali, le correnti stellari nella Via Lattea e le galassie satellite.

Nello specifico riuscirebbe a spiegare il perché di tre enigmi cosmici: l'esistenza di lenti gravitazionali prive della galassia o dell'ammasso di galassie generatore, deformazioni delle correnti stellari, e formazione di ammassi stellari per aggregazione di stelle non gravitazionalmente legate.

In altre parole, la SIDM non elimina il modello cosmologico standard, ma ne propone una variante più ricca sulle piccole scale, dove le osservazioni sono più difficili da interpretare.

Tre indizi cosmici: lenti, correnti stellari e Fornax 6

Ma come si è arrivati a formulare questa variante del modello cosmologico standard? Esistono in particolare tre diverse evidenze osservative che potrebbero meglio essere spiegate in un contesto di Self-Interacting Dark Matter.

La prima evidenza osservativa riguarda la lente gravitazionale JVAS B1938+666, dove un oggetto invisibile ma molto denso sembra deformare la luce di una galassia lontana.

Sappiamo che una grossa massa è la causa dell’effetto lente gravitazionale, come ad esempio un ammasso di galassie. Tuttavia, in questo caso si osserva la lente ma non si vede la massa che la genera. Una sottostruttura di materia oscura auto-interagente potrebbe produrre proprio questo tipo di perturbazione gravitazionale.

La seconda evidenza osservativa riguarda la corrente stellare GD-1, cioè un lungo flusso di stelle all’interno della Via Lattea che mostra una sorta di rottura, come se un oggetto compatto e invisibile, appunto un grumo di Self-Interacting Dark Matter, l’avesse attraversato.

La terza evidenza osservativa riguarda l’ammasso stellare Fornax 6 all'interno dell’omonima galassia. Questo ammasso di stelle, invece di essere nato dalla frammentazione e dal collasso dei frammenti di una nube molecolare gigante, così come avviene per gli ammassi stellari, potrebbe essere nato da stelle singole che sono state catturate da uno o più grumi di Self-Interacting Dark Matter e che sono state concentrate in un unico ammasso.

La forza di questa teoria è la sua relativa semplicità, cioè la possibilità che grumi di SIDM spieghino contemporaneamente gli effetti osservati in lenti gravitazionali, flussi stellari e galassie satellite, cioè in tre scale spaziali molto diverse.

Un campo in rapido movimento

Il modello del Self-Interacting Dark Matter è un modello promettente ma non definitivo. Se la popolazione di grumi oscuri venisse confermata in ambienti diversi, la materia oscura potrebbe apparire meno “oscura” di quanto pensiamo: non perché diventi visibile, ma perché inizierebbe finalmente a rivelare la propria fisica interna.

Ma sulla materia oscura si continua a lavorare anche in altre direzioni. Altri scenari, come materia oscura fuzzy, i buchi neri primordiali o modifiche della gravità, restano oggetto di discussione e studio. La sfida dei prossimi anni sarà confrontare questi modelli con dati sempre più precisi da lenti gravitazionali, missioni astrometriche e osservazioni di galassie nane.

Riferimento scientifico allo studio

“Three Birds with One Stone: Core-Collapsed SIDM Halos as the Common Origin of Dense Perturbers in Lenses, Streams, and Satellites” Hai-Bo Yu Physical Review Letters, 2026, DOI: https://doi.org/10.1103/txxx-97ln