COLD, WARM, SELF-INTERACTING… “DARK MATTERS” AL PLURALE PER AIDA-TNG

Variazioni di materia oscura in un cubo di bit

Usando il supercomputer italiano Leonardo e il finlandese Lumi, un team guidato dall’astrofisica Giulia Despali dell’Università di Bologna ha simulato come evolverebbe un “cubo di universo” da 50 o da 100 megaparsec di lato adottando modelli alternativi di materia oscura. I risultati sono presentati in una serie di articoli – il più recente è della scorsa settimana – pubblicati su Astronomy & Astrophysics

     30/03/2026

Si fa presto a dire dark matter. Ma non avendo ancora idea di cosa esattamente sia – né la certezza che ci sia – la materia oscura va necessariamente declinata al plurale. Le opzioni al vaglio degli scienziati sono parecchie. Ci sono quella “fredda” (componente fondamentale del modello cosmologico più noto, il Lambda-Cdm, dove Cdm sta appunto per cold dark matter), quella “calda” e quella “tiepida” (warm). Quella formata da ipotetiche particelle di massa relativamente elevata – le Wimps, ormai un po’ demodé – e quella, invece, fatta di leggerissimi e altrettanto ipotetici assioni. C’è materia oscura che interagisce esclusivamente attraverso la gravità e materia oscura che potrebbe invece farlo anche attraverso altre forze fondamentali – per esempio, una forza simile a quella che tiene assieme i nuclei atomici, l’interazione forte.

Giulia Despali, ricercatrice all’Università di Bologna, associata Inaf e coordinatrice del progetto Aida-Tng. Crediti: Media Inaf

Materie oscure, dunque. Come decidere qual è quella corretta? In attesa di intercettare le sfuggenti particelle che la compongono, una possibilità è quella di simulare cosa ne sarebbe dell’universo adottando una variante per volta, per vedere quali producono risultati compatibili con la realtà e quali no. È ciò di cui si occupa Aida-Tng, un progetto coordinato da Giulia Despali dell’Università di Bologna e che include un team di astrofisici di numerose istituzioni italiane ed estere (l’Inaf, il Max Planck, il Mit e le università di Bologna e della Pennsylvania) i cui risultati stanno venendo pubblicati in più articoli – già ne sono usciti quattro – su Astronomy & Astrophysics. Il più recente è uscito la settimana scorsa e si concentra in particolare sugli esiti che avrebbero diversi modelli di dark matter sui profili di densità dei cosiddetti aloni di materia oscura: le regioni invisibili ed estese nelle quali sono immerse le galassie e gli ammassi di galassie.

«Usando il supercomputer Leonardo e il finlandese Lumi, abbiamo simulato “cubi di universo” da 50 e 100 megaparsec di lato, corrispondenti dunque a quelli prodotti da Illustris-Tng – con lo stesso volume, le stesse galassie e così via», spiega Despali – prima autrice dell’articolo – a Media Inaf, «ma con modelli di materia oscura diversa. Perché si parla sempre del modello standard, quello con la materia oscura fredda, ma in realtà questa particella ancora non l’abbiamo trovata, e ci sono limiti sempre più stringenti rispetto alla possibilità che si tratti veramente di una Wimp».

A sinistra, simulazione di materia oscura, stelle e gas. A destra, in dettaglio, le componenti di una galassia (stelle nella riga in alto, gas nella riga in basso) per due diversi modelli di materia oscura (fredda nella colonna a sinistra, interagente nella colonna a destra). Crediti: G. Despali et al./The Aida-Tng project

A mettere in crisi i modelli basati su particelle tipo Wimp sono osservazioni come quelle delle curve di rotazione delle galassie satelliti della Via Lattea o delle galassie a spirale più distanti, curve che la materia oscura fredda non sempre riesce a spiegare. Così come non se la cava bene nel predire la densità al centro di alcuni oggetti cosmici, in particolare di alcuni oggetti trovati con il lensing gravitazionale. Ecco dunque che le simulazioni con modelli alternativi possono essere di grande aiuto per capire quali esiti potrebbero avere. Per esempio, dalle simulazioni di Despali e colleghi emerge che i modelli di materia oscura cosiddetti self-interacting, dove cioè ci sono interazioni che vanno oltre la sola gravità, hanno un impatto apprezzabile sulla densità al centro degli aloni di materia oscura, che si riflette sulla dimensione e sulla forma delle galassie, e in particolare sulla morfologia dei bracci a spirale.

«Un’altra differenza che abbiamo notato è fra simulazioni che considerano solo la dark matter e simulazioni che comprendono invece anche la fisica del gas. Di solito per lo studio dei modelli alternativi di materia oscura si simula solo questa, senza curarsi della materia ordinaria, quella di cui sono fatte le stelle e il gas, appunto. Ma il fatto che ci sia una galassia al centro degli aloni di materia oscura cambia molto le proprietà. Ebbene, ciò che stiamo trovando è che, tenendo conto anche della formazione delle galassie, le differenze tra alcuni di questi modelli di materia oscura diminuiscono. E ciò potrebbe voler dire che alcuni dei modelli che erano stati scartati sono in realtà compatibili con le osservazioni».

Dal basso a sinistra, in senso orario, Massimiliano Romanello, Carlo Giocoli e Giulia Despali, primi autori dei quattro articoli già pubblicati dal progetto Aida-Tng. Crediti: Giorgio Lesci/Unibo

Fra i tanti modelli alternativi simulati, ne mancano però all’appello alcuni radicalmente alternativi: quelli basati sulle teorie Mond. «È vero, sarebbe interessante provarli, ci sono gruppi che ci hanno lavorato, ma simularli è molto pesante dal punto di vista del calcolo», spiega Despali. «Combinare il calcolo preciso degli effetti Mond con l’idrodinamica del gas richiede molto tempo e al momento non è possibile con il software che stiamo usando».

E in effetti la potenza di calcolo in gioco è indubbiamente uno degli aspetti distintivi di queste simulazioni. Per il progetto Aida-Tng sono state chieste e ottenute, grazie all’iniziativa europea EuroHpc per il calcolo ad alte prestazioni e al Centro nazionale Hpc del Pnrr, ben 90 milioni di ore cpu. «Già, così ogni volta che passo in via Stalingrado», conclude Despali riferendosi alla strada del capoluogo emiliano in cui si sorgono i locali che ospitano il supercomputer, «penso che c’è una parte di Leonardo che sta lavorando per me».

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