La sfida della materia oscura

9 Ottobre 2025

La materia oscura è una forma di materia invisibile ai telescopi, che non emette radiazione elettromagnetica e per questo viene chiamata appunto “oscura”. La sua (presunta) esistenza è oggi rilevabile soltanto in modo indiretto, attraverso i suoi effetti gravitazionali. Nonostante vi siano molti esperimenti in tutto il mondo che stanno cercando di rivelare le sue tracce, tra cui gli esperimenti attualmente in presa dati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, ad oggi la materia oscura non è ancora stata osservata sperimentalmente. Riuscire a rivelare e studiare la materia oscura è una delle sfide fondamentali della fisica moderna.

Fino alla prima metà del Novecento si pensava che quasi tutta la massa dell’Universo fosse concentrata nelle stelle; oggi, invece, sappiamo che queste rappresentano solo una piccolissima parte della materia cosmica. Infatti, Il budget energetico dell’universo, ottenuto dalle misure della radiazione di fondo cosmico, indica che la materia ordinaria è meno del 5% del totale, mentre il restante 95% si divide tra materia oscura (circa il 27%) ed energia oscura (circa il 68%). Mentre la natura dell’energia oscura, una sorta di pressione negativa responsabile dell’espansione accelerata dell’universo, è molto speculativa, la materia oscura, ovvero una materia che non emette radiazione elettromagnetica, può essere costituita sia da componenti macroscopiche, come i buchi neri, sia microscopiche, come particelle elementari che, per spiegare la formazione delle strutture su grande scala nell’universo, devono essere elettricamente neutre, massive e debolmente interagenti. Non ci sono particelle con queste caratteristiche nel Modello Standard della fisica delle particelle come non c’è una spiegazione all’asimmetria tra materia e antimateria osservata nel cosmo.

Il bilancio energetico dell'universo: grafico a torta che evidenzia le diverse percentuali di materia ordinaria, oscura e energia oscura

ingresso della galleria sotterranea dei Laboratori del Gran Sasso (INFN).

Negli scorsi decenni i fisici teorici hanno proposto una grande quantità di modelli che tentano di spiegare la materia oscura: uno dei più popolari prevede l’esistenza delle cosiddette WIMP (weakly interacting massive particles), particelle ipotetiche relativamente pesanti e debolmente interagenti che, per diverse ragioni, avrebbero caratteristiche quasi perfette per costituire la materia oscura. Particelle con queste caratteristiche venivano prodotte facilmente nel plasma che componeva l’universo primordiale: con il raffreddarsi dell’universo a un certo punto si separano dal plasma e, se stabili, arrivano fino a noi. Gli esperimenti DarKside-20K e XENONnT, attualmente in presa dati, nel silenzio cosmico dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN cercano le particelle wimp con tecnologie diverse e complementari

La scoperta di una nuova particella con le caratteristiche delle Wimp rappresenterebbe uno straordinario successo sia per la fisica delle particelle (con la scoperta di fisica oltre il modello standard) sia per la cosmologia.

Tra le tante particelle che sono state ipotizzate per spiegare la composizione della misteriosa materia oscura, l’assione è stato introdottoper risolvere un problema fondamentale della teoria delle interazioni forti. Dell’assione si presume che abbia una massa ben più piccola della massa dell’elettrone, che sia elettricamente neutro, che abbia una vita media superiore all’età dell’universo (13,8 miliardi di anni), che interagisca con la materia ordinaria in maniera molto debole e che non possieda spin. L’assione dovrebbe essere stato prodotto in maniera copiosa nei primi istanti dopo il Big Bang, per poi pervadere l’universo come un fluido, analogamente a ciò che è accaduto al gas di fotoni primordiali che oggi costituiscono la radiazione cosmica di fondo. Ma, diversamente da questi fotoni, gli assioni hanno una massa e potrebbero quindi dar conto della massa mancante dell’universo, la materia oscura, di cui abbiamo molte evidenze indirette.

Di questa affascinante ipotesi si discute, sul numero di ottobre di Particle Chronicle, la newsletter dell’Infn, nell’intervista a Pierre Sikivie, professore emerito presso il dipartimento di Fisica dell’Università della Florida, vincitore della medaglia Galileo Galiei 2025.

Alle possibili particelle candidate per la materia oscura è dedicato l’articolo “Lo zoo oscuro” pubblicato sul numero 21 di Asimmetrie, la rivista istituzionale dell’INFN.

Ipotizzata per la prima volta già nel 1933 dall’astronomo austriaco Fritz Zwicky, la materia oscura è entrata seriamente nel dibattito scientifico solo a partire dagli anni Settanta, grazie alle osservazioni della galassia di Andromeda raccolte dagli astronomi statunitensi Vera Rubin e Kent Ford. I due scienziati misurarono la velocità di rotazione delle stelle alla periferia della galassia, trovando un valore sorprendentemente alto rispetto alle previsioni della gravità di Newton. La spiegazione più plausibile dell’anomalia era ammettere l’esistenza di una forma di materia non visibile, detta appunto “oscura”, il cui contributo (sommato a quello della materia ordinaria) avrebbe spiegato la velocità misurata.

Dalla scoperta di Rubin e Ford, l’ipotesi della materia oscura è diventata via via sempre più popolare nella comunità scientifica, anche grazie ad altre evidenze indirette che vanno oltre il solo problema della velocità di rotazione delle galassie come il Lensing gravitazionale, l’osservazione di bullet cluster, e i dati relativi alla radiazione cosmica di fondo

Immagine composita del Bullet Cluster.
Il Bullet Cluster è una coppia di ammassi di galassie che si sono scontrati frontalmente. L'immagine ottica del Hubble Space Telescope e Magellan mostra le galassie in arancione e bianco sullo sfondo. Il gas caldo, che contiene la maggior parte della materia normale nell'ammasso, è mostrato nell'immagine a raggi X di Chandra, che mostra il gas caldo all'interno dell'ammasso (rosa). La lente gravitazionale, la distorsione delle immagini di sfondo in base alla massa dell'ammasso, rivela che la massa dell'ammasso è dominata da materia oscura (blu), una forma esotica di materia abbondante nell'Universo, con proprietà molto diverse rispetto alla materia normale. Questa è stata la prima chiara separazione osservata tra la materia normale e quella oscura. (© NASA/CXC/M. Weiss)

Secondo le stime attuali la materia oscura rappresenterebbe circa l’85% della massa complessiva dell’universo, e la materia ordinaria, quella di cui siamo fatti e che ben conosciamo, solo il restante 15%. Insomma, si tratta di un mistero gigante, non solo oscuro.

Ad oggi non sono state raccolte evidenze dell’osservazione di WIMP o di altre possibili particelle di materia oscura: se da un lato la comunità intende proseguire gli sforzi sperimentali con esperimenti ancora più sensibili, dall’altro si stanno iniziando a considerare più seriamente anche ipotesi alternative alla materia oscura come quelle relative ai buchi neri primordiali o la teoria della gravità modificata.

Dalla scoperta di Rubin e Ford, l’ipotesi della materia oscura è diventata via via sempre più popolare nella comunità scientifica, anche grazie ad altre evidenze indirette che vanno oltre il solo problema della velocità di rotazione delle galassie come l’effetto di lente gravitazionale, l’osservazione di bullet cluster, i dati relativi alla radiazione cosmica di fondo e le indicazioni che arrivano dalle simulazioni .

L’effetto di lente gravitazionale è un fenomeno previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, ed è osservato quando la luce di un oggetto lontano (come una galassia o una supernova) viene curvata dalla gravità di un oggetto molto massiccio (come un’altra galassia o un ammasso di galassie) che si trova tra l’osservatore e l’oggetto lontano. La materia oscura, pur non emettendo luce o radiazione elettromagnetica, ha un ruolo fondamentale nell’effetto di lente gravitazionale. Infatti La materia oscura contribuisce alla massa dell’oggetto che fa da lente, quindi aumenta la curvatura dello spazio-tempo e modifica la traiettoria della luce proveniente da oggetti sullo sfondo.

l Bullet Cluster è un sistema composto da due ammassi di galassie che si sono scontrati tra loro a velocità elevata, a circa 3 miliardi di anni luce da noi. Durante la collisione, diverse componenti dell’ammasso si sono comportate in modo diverso avvalorando l’ipotesi di una grande quantità di massa invisibile ascrivibile alla materia oscura. l Bullet Cluster mostra che la maggior parte della massa dell’universo non è fatta di materia visibile ed è una delle prove osservative più dirette dell’esistenza della materia oscura, perché mostra una separazione fisica tra materia visibile e massa gravitazionale.

Inoltre, anche lo studio della radiazione cosmica di fondo (CMB, Cosmic Microwave Background), una radiazione a microonde che permea tutto l’universo, rilasciata circa 380.000 anni dopo il Big Bang quando l’universo era appena nato, ci fornisce importanti indicazioni dell’esistenza di materia oscura. In particolare, la CMB ci porta informazioni precise sulla densità e composizione dell’universo primordiale e sulle quantità di materia ordinaria e oscura presenti subito dopo il big bang. Una sorta di impronta dell’universo primordiale.

Tra le evidenze a supporto, si può altresì annoverare l’esistenza delle strutture su grande scala dell’universo (large-scale structures), la cui formazione, secondo le simulazioni numeriche, parrebbe richiedere una quantità di massa superiore a quella osservabile direttamente.”