Che cosa è la materia?

Siamo circondati dalla materia. In effetti, SIAMO importanti. Anche tutto ciò che rileviamo nell'universo è materia. È così fondamentale che accettiamo semplicemente che tutto sia fatto di materia. È l'elemento fondamentale di tutto: la vita sulla Terra, il pianeta su cui viviamo, le stelle e le galassie. In genere è definito come qualsiasi cosa che abbia massa e occupa un volume di spazio.

I mattoni della materia sono chiamati "atomi" e "molecole". Anche loro sono materia. La materia che possiamo rilevare normalmente è chiamata materia "barionica". Tuttavia, esiste un altro tipo di argomento, che non può essere rilevato direttamente. Ma la sua influenza può. Si chiama materia oscura. 

Materia normale

È facile studiare la materia normale o la "materia barionica". Può essere scomposto in particelle subatomiche chiamate leptoni (elettroni per esempio) e quark (i mattoni di protoni e neutroni). Questi sono gli elementi che compongono gli atomi e le molecole che sono i componenti di tutto, dagli umani alle stelle.

Illustrazione al computer di un modello atomico contenente atomi, protoni, neutroni ed elettroni. Questi sono i mattoni della materia normale. Science Photo Library / Getty Images

La materia normale è luminosa, cioè interagisce elettromagneticamente e gravitazionalmente con altra materia e con radiazioni. Non brilla necessariamente come pensiamo a una stella splendente. Potrebbe emettere altre radiazioni (come l'infrarosso).

Un altro aspetto che emerge quando si discute della materia è qualcosa chiamato antimateria. Pensala come il contrario della materia normale (o forse un'immagine speculare) di essa. Ne sentiamo spesso parlare quando gli scienziati parlano delle reazioni materia / antimateria come fonti di energia. L'idea alla base dell'antimateria è che tutte le particelle hanno un anti-particella che ha la stessa massa ma con spin e carica opposti. Quando la materia e l'antimateria si scontrano, si annichilano a vicenda e creano energia pura sotto forma di raggi gamma. Quella creazione di energia, se potesse essere sfruttata, fornirebbe enormi quantità di potere a qualsiasi civiltà che potrebbe capire come farlo in sicurezza.

Materia oscura

Contrariamente alla materia normale, la materia oscura è materiale non luminoso. Cioè, non interagisce elettromagneticamente e quindi appare scuro (cioè non rifletterà o emetterà luce). L'esatta natura della materia oscura non è ben nota, sebbene il suo effetto su altre masse (come le galassie) sia stato notato da astronomi come la dott.ssa Vera Rubin e altri. Tuttavia, la sua presenza può essere rilevata dall'effetto gravitazionale che ha sulla materia normale. Ad esempio, la sua presenza può limitare i movimenti delle stelle in una galassia, per esempio.

Materia oscura nell'universo. Potrebbe essere fatto di WIMP? Questa immagine di Hyper Suprime-Cam mostra una piccola sezione (14 minuti d'arco per 9,5 minuti d'arco) di ammassi di galassie con i contorni di una concentrazione di materia oscura e parte di un'altra tracciata con linee di contorno. Telescopio Subaru / Osservatorio astronomico nazionale del Giappone

Attualmente ci sono tre possibilità di base per "cose" che compongono la materia oscura:

• Materia oscura fredda (CDM): C'è un candidato chiamato la particella voluminosa che interagisce debolmente (WIMP) che potrebbe essere la base per la fredda materia oscura. Tuttavia, gli scienziati non ne sanno molto o come potrebbe essersi formato all'inizio della storia dell'universo. Altre possibilità per le particelle CDM includono gli assioni, tuttavia non sono mai stati rilevati. Infine, ci sono MACHO (MAssive Compact Halo Objects), che potrebbero spiegare la massa misurata della materia oscura. Questi oggetti includono buchi neri, antiche stelle di neutroni e oggetti planetari che sono tutti non luminosi (o quasi) ma contengono ancora una quantità significativa di massa. Questi spiegherebbero convenientemente la materia oscura, ma c'è un problema. Dovrebbero essercene molti (più del previsto rispetto all'età di alcune galassie) e la loro distribuzione dovrebbe essere incredibilmente ben diffusa in tutto l'universo per spiegare la materia oscura che gli astronomi hanno scoperto "là fuori". Quindi, la fredda materia oscura rimane un "work in progress".
• Materia oscura calda (WDM): Si pensa che questo sia composto da neutrini sterili. Sono particelle simili ai normali neutrini, salvo per il fatto che sono molto più massicci e non interagiscono attraverso la forza debole. Un altro candidato per WDM è il gravitino. Questa è una particella teorica che esisterebbe se la teoria della supergravità - una fusione di relatività generale e supersimmetria - guadagnasse trazione. Il WDM è anche un candidato interessante per spiegare la materia oscura, ma l'esistenza di neutrini sterili o gravitinos è nella migliore delle ipotesi speculativa.
• Materia oscura calda (HDM): le particelle considerate come materia oscura calda esistono già. Si chiamano "neutrini". Viaggiano quasi alla velocità della luce e non si "ammassano" insieme come proiettiamo la materia oscura. Inoltre, dato che il neutrino è quasi privo di massa, ne sarebbe necessaria una quantità incredibile per compensare la quantità di materia oscura che si sa esiste. Una spiegazione è che esiste un tipo o sapore di neutrino ancora inosservato che sarebbe simile a quelli già noti per esistere. Tuttavia, avrebbe una massa significativamente maggiore (e quindi forse una velocità più lenta). Ma questo sarebbe probabilmente più simile alla materia oscura calda.

La connessione tra materia e radiazione

La materia non esiste esattamente senza influenza nell'universo e c'è una strana connessione tra radiazione e materia. Tale connessione non fu ben compresa fino all'inizio del 20 ° secolo. Fu allora che Albert Einstein iniziò a pensare alla connessione tra materia, energia e radiazione. Ecco cosa gli è venuto in mente: secondo la sua teoria della relatività, massa ed energia sono equivalenti. Se una quantità sufficiente di radiazione (luce) si scontra con altri fotoni (un'altra parola per "particelle" di luce) di energia sufficientemente elevata, è possibile creare massa. Questo processo è ciò che gli scienziati studiano in giganteschi laboratori con collettori di particelle. Il loro lavoro scava profondamente nel cuore della materia, alla ricerca delle particelle più piccole che si sa esistano.

Quindi, sebbene la radiazione non sia esplicitamente considerata materia (non ha massa o occupa volume, almeno non in modo ben definito), è connessa alla materia. Questo perché la radiazione crea materia e la materia crea radiazione (come quando la materia e l'antimateria si scontrano).

Energia oscura

Portando un ulteriore passo avanti la connessione materia-radiazione, i teorici propongono anche che nel nostro universo esista una misteriosa radiazione. È chiamato energia oscura. La sua natura non è affatto compresa. Forse quando verrà compresa la materia oscura, arriveremo a comprendere anche la natura dell'energia oscura.

A cura e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.