Rilevare l’Invisibile – Ricercatori alla Caccia della Materia Oscura con l’Aiuto della Stampa 3D

La caccia a uno dei segreti più oscuri dell’universo continua mentre gli scienziati cercano i misteri della materia oscura. La materia oscura è responsabile di azioni fondamentali nel sistema solare, come la formazione delle galassie, ma è notoriamente difficile da rilevare. Un nuovo studio presentato da ricercatori della School of Physics and Astronomy dell’Università di Nottingham dimostra un metodo per rilevare la materia oscura usando un sistema a vuoto appositamente progettato. Ecco cosa c’è da sapere.

Che cos’è la materia oscura?

La materia ordinaria è ciò che le persone considerano tutto. Qualsiasi cosa che occupa spazio e ha massa rientra in questa categoria, dalla stella più grande all’atomo più piccolo. Sorprendentemente, questo tipo di materia rappresenta solo una piccola parte dell’equazione. In particolare, costituisce circa il 5% della composizione dell’universo.

I ricercatori hanno concluso che il 30% dell’universo è composto da energia nera, un’altra forza misteriosa che gli scienziati studiano da tempo. Il restante 69% è materia oscura. I ricercatori hanno formulato molte ipotesi su questa forza.

Alcuni credono che la materia oscura sia composta da buchi neri primordiali, mentre altri hanno concluso che debbano essere particelle subatomiche ancora non scoperte. Nonostante le loro posizioni, tutti concordano sul fatto che la scienza non dispone ancora di apparecchiature sufficientemente sensibili per catturare questo livello di energia.

Come è stata scoperta la materia oscura?

Gli astronomi menzionarono per la prima volta la materia oscura nel 1933. Un astronomo svizzero-americano di nome Fritz Zwicky rimase sorpreso nel constatare che la galassia del Gruppo Coma sfidava le credenze astronomiche conosciute dell’epoca. La galassia aveva solo l’1% della massa necessaria a tenere insieme le galassie.

Egli teorizzò che doveva esistere qualche altra forma di materia che fornisse la massa necessaria a mantenere le galassie al loro posto. Questa sostanza sfuggente fungeva da supporto strutturale e da guida per la formazione di nuove stelle, galassie e altro ancora. Notoriamente, riuscì a dimostrare matematicamente l’esistenza della massa, ma sarebbero stati necessari molti altri anni di ricerca prima che gli scienziati potessero ricreare con precisione le anomalie della materia oscura in modo coerente e misurabile.

Rilevare la materia oscura è difficile

Rilevare la materia oscura invisibile si è dimostrato un processo dispendioso in termini di tempo e scientificamente impegnativo. La forza è invisibile e, anche con gli strumenti ottici più avanzati, è ancora quasi impossibile da rilevare. Invece, l’unico modo con cui i ricercatori sono riusciti a rilevare questa forza è attraverso le fluttuazioni delle influenze gravitazionali.

Il nuovo studio migliora il rilevamento

Lo studio, “Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments”, spiega un nuovo metodo per misurare la presenza della materia oscura. Il nuovo approccio introduce una camera a vuoto stampata in 3D appositamente progettata che consente alla materia oscura di accumularsi e collidere, generando fluttuazioni gravitazionali.

Campi scalari

I ricercatori hanno utilizzato i campi scalari per garantire di catturare i minimi cambiamenti nel campo gravitazionale. I campi scalari sono comunemente usati per risolvere e acquisire dati da ambienti 3D. Questi protocolli di test assegnano a ogni singolo punto nello spazio un numero specifico. I campi scalari forniscono un modo accurato e coerente per misurare le variazioni dei campi nello spazio.
I campi scalari sono comuni oggi. Sono usati per misurare variazioni di temperatura, potenziale elettrico, radiazioni, pressione e cambiamenti gravitazionali. La natura dinamica di questo tipo di recupero dati consente ai ricercatori di ottenere informazioni utili sull’ambiente monitorato. Questi dati possono essere raccolti in modo lineare, non lineare o su scala.

Test

Lo studio, che ha richiesto tre anni per essere completato, evidenzia come le camere stampate in 3D speciali creino un fenomeno noto come pareti di dominio. Le pareti di dominio sono accumuli di energia che si verificano quando avvengono transizioni di fase del campo scalare. Le pareti di dominio influenzano le particelle mentre le attraversano, modificandone la traiettoria e alterandone il percorso di volo. Questa deviazione, a sua volta, può essere misurata per determinare l’esistenza della materia oscura.
I ricercatori hanno monitorato queste pareti di dominio e hanno raccolto i dati per creare la camera a vuoto stampata in 3D ideale. Il dispositivo incorporava una forma e una struttura specifiche per intrappolare le particelle di materia oscura. I ricercatori hanno anche utilizzato materiali speciali che hanno facilitato il processo di intrappolamento.

Densità più bassa abbassando la temperatura

Il team ha aggiunto il processo di reazione abbassando la temperatura delle particelle leggere. Questo processo è stato descritto dai ricercatori come simile all’acqua che diventa più lenta e si solidifica con il calare della temperatura. In questa ricerca, il gas a bassa densità è stato mescolato con atomi di litio ultrafreddi.
Come parte dell’esperimento, questi atomi sono stati raffreddati a -273 gradi. Questa temperatura ha portato gli atomi quasi allo zero assoluto, consentendo loro di reagire in modo stabile rispetto alle temperature normali. Questa manovra ha simulato una particella che viaggia attraverso una sostanza che diventa più densa lungo il suo percorso.

Risultati

I ricercatori hanno misurato con successo fluttuazioni di onde gravitazionali a nanohertz, e la loro presenza ha segnalato la materia oscura. Questi risultati potrebbero avere un impatto significativo su come gli scienziati percepiscono l’evoluzione dell’universo. Ora, il processo di test può essere utilizzato per raccogliere ulteriori dati su queste particelle sfuggenti che costituiscono i mattoni della galassia.

Ricercatori

Lo studio è stato condotto in una delle principali accademie di ricerca scientifica d’Europa, la School of Physics and Astronomy dell’Università di Nottingham. In particolare, la Professoressa Clare Burrage ha guidato gli sforzi di ricerca ed è stata assistita dall’Associate Professor Lucia Hackermueller.

Benefici rivelati dallo studio

La capacità di rilevare la materia oscura usando le pareti di dominio tramite camere a vuoto stampate introduce un nuovo mondo di opportunità per i ricercatori e per chi cerca di comprendere meglio questa forza. Lo studio pone le basi per i ricercatori che desiderano misurare e prevedere le azioni di questa forza, con l’obiettivo di un giorno capire come essa contribuisca alla formazione delle galassie e all’evoluzione dell’universo.

Altri studi sulla materia oscura da notare

La comunità scientifica continua a innovare e a inventare nuovi metodi per monitorare la materia oscura e l’energia. Questi metodi coprono una varietà di discipline, includendo misurazioni dallo spazio, la creazione di grandi dispositivi di tracciamento di particelle luminose per cercare effetti gravitazionali e molto altro. Ecco alcuni dei più vantaggiosi sforzi finora proposti.

Telescopio spaziale Euclid

Il telescopio spaziale Euclid dell’Europa è stato recentemente lanciato da un razzo Falcon 9 dalla Florida alla ricerca della materia oscura. Il progetto, denominato “Dark Detective”, è stato progettato per lavorare con il telescopio James Webb per approfondire le anomalie. A differenza del telescopio James Webb, che ha una messa a fuoco incredibilmente precisa, il telescopio satellitare alto 15 piedi e largo 11 piedi è stato progettato per catturare enormi viste panoramiche dell’universo.
Il dispositivo sarà in grado di catturare le foto prospettiche più ampie della storia dell’universo di 13,8 miliardi di anni. Gli scienziati potranno esaminare queste foto per tracciare il movimento della luce attraverso la galassia. Notoriamente, potranno quindi usare la distorsione della luce per individuare anomalie gravitazionali causate dalla materia oscura. Questo fenomeno è noto come lente gravitazionale e ha prodotto risultati intriganti.

CERN

Uno dei progetti più vantaggiosi e più noti utilizzati per tentare di monitorare, misurare e creare materia oscura proviene dai ricercatori del CERN. Questa enorme struttura di ricerca è stata fondata nel 1954. Da allora, ha svolto un ruolo enorme nella comunità scientifica in diversi settori, includendo la creazione di protocolli di ricerca per la scoperta e il monitoraggio di protocolli ad alta energia.

Questa azienda di ricerca con sede a Ginevra ha collaborato con i progetti più brillanti e innovativi del mercato, e i suoi risultati non possono essere sottovalutati. Per esempio, Tim Berners-Lee lanciò famosamente il World Wide Web nel 1989 dalla struttura che in seguito ospitò il primo sito web nel 1991. Oggi, la struttura si concentra su una varietà di attività scientifiche.

Il CERN è più noto come la sede del Large Hadron Collider (LHC). Questo dispositivo è il più grande e più energetico acceleratore di particelle al mondo. Può prendere pacchetti e spararli a velocità massime prima di farli collidere per registrare gli effetti. Questo metodo è ora utilizzato per misurare gli effetti gravitazionali causati dalla materia oscura, il che potrebbe un giorno far luce sulla sua presenza e sui suoi effetti.

Stella di neutroni

Un altro metodo introdotto dai ricercatori per monitorare la presenza della materia oscura è la misurazione dei livelli energetici delle stelle di neutroni. Utilizzando un telescopio appositamente costruito chiamato IceCube Neutrino Observatory al Polo Sud in Antartide, i ricercatori possono monitorare l’accumulo di materia oscura su questi corpi celesti.
Notoriamente, gli scienziati cercano le particelle sottoprodotto che si creano quando la materia oscura interagisce e si autodistrugge. Questo fenomeno si verifica ogni volta che c’è un accumulo di materia oscura su una stella di neutroni. Questo metodo traccia i sottoprodotti di queste collisioni e ne misura le fluttuazioni nel tempo, creando una mappa di questa energia mentre si sposta.

Aziende che potrebbero beneficiare di queste scoperte

La capacità di rilevare e un giorno sfruttare la materia oscura è stata un obiettivo a lungo termine per scienziati e ricercatori. Questi ultimi sviluppi renderanno più facile studiare questo elemento sfuggente in profondità e cominciare a svelarne i misteri. Per realizzare questo compito, ci sarà una maggiore domanda di veicoli spaziali e di strutture di test avanzate. Ecco due aziende che sono posizionate per beneficiare di questi sviluppi in futuro.

1. SpaceX

Il miliardario eccentrico Elon Musk ha fondato SpaceX il 14 marzo 2002. Questa azienda con sede a El Segundo, California, è stata lanciata sotto un nome diverso “Space Exploration Technologies (SPCX ) Corporation” (SET) prima di rinominarsi con il più commerciabile nome SpaceX. Notoriamente, per garantire il progetto, Musk ha investito il 50% delle sue azioni PayPal (PYPL ) del valore di 180 milioni di dollari dell’epoca. Questi fondi sono stati destinati a garantire i ricercatori necessari per lanciare il loro primo razzo.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY Grafico dei prezzi

Teledyne Technologies (TDY ) Inc. è un fornitore leader di materiali aerospaziali. L’azienda offre una selezione di componenti elettronici avanzati di alta gamma, strumenti e prodotti di comunicazione. Teledyne Tech è entrata nel mercato nel 1999 e inizialmente comprendeva un conglomerato di 19 aziende. Oggi, Teledyne Technologies, Inc. include più di 100 aziende a livello globale.

Teledyne Technologies Inc. potrebbe vedere profitti significativi derivanti da una spinta a mettere più sensori nello spazio. L’azienda è un fornitore importante di alluminio di grado aerospaziale e di altri sistemi vitali per il completamento di queste missioni. Attualmente diversi satelliti stanno sfruttando i prodotti dell’azienda.

Il titolo Teledyne Technologies Inc. (TDY) ha registrato rendimenti costanti del 6,56%. Il posizionamento dell’azienda e la crescita prevista delle attività legate allo spazio rendono questi asset un forte “Acquisto”. Nelle prossime settimane, Teledyne Technologies, Inc. continuerà a svolgere un ruolo fondamentale nel mercato aerospaziale in crescita.

Futuro degli studi sulla materia oscura

Il futuro della ricerca sulla materia oscura è promettente. L’introduzione della robotica e dell’IA la porterà a nuovi livelli e consentirà ai ricercatori, per la prima volta, di iniziare a tracciare e monitorare costantemente questa sostanza. L’introduzione di ricercatori spaziali robotici alimentati dall’IA aiuterà a avvicinare gli esseri umani a queste risposte sfuggenti senza mettere a rischio la vita umana.
Inoltre, ci sarà un’attenzione ancora maggiore sulla creazione della materia oscura nei laboratori. L’LHC giocherà un ruolo fondamentale in questo processo, essendo il più grande acceleratore di particelle con sensori sufficientemente sensibili da catturare le minime fluttuazioni causate dalla materia oscura.

Misurare la materia oscura è il passo 1

I progressi compiuti nella misurazione della materia oscura continuano ad aiutare a rivelare le caratteristiche di questa forza ancora non compresa. In futuro, i ricercatori collegheranno i dati pertinenti e sfrutteranno l’avanzata IA di deep learning per creare correlazioni che potrebbero sembrare improbabili ai lettori umani. Tutti questi sviluppi e molto altro renderanno la materia oscura più trasparente in futuro.

Puoi saperne di più sui progetti aerospaziali entusiasmanti qui.