Materia oscura e materia strana: dai quark «strani» alle stelle più misteriose dell'universo

Tutto ciò che vediamo, stelle, pianeti, noi stessi, è appena il 5% dell'universo. Il resto è fatto di qualcosa che non emette luce e che nessuno strumento ha mai catturato direttamente. In questo buio i fisici cercano da decenni due protagonisti: la materia oscura, di cui conosciamo gli effetti ma non la natura, e un'ipotesi ancora più sorprendente, la materia strana. Tra le due ci sono stelle che forse esistono e che nessuno ha ancora visto con certezza.

Materia oscura: la massa che manca

La prima traccia risale al 1933. L'astronomo svizzero Fritz Zwicky, studiando l'ammasso di galassie della Chioma, si accorse che le galassie si muovevano troppo velocemente: la massa visibile non bastava a tenerle insieme. Doveva esserci altra materia, invisibile.

Negli anni '70 Vera Rubin e Kent Ford trovarono lo stesso problema dentro le galassie. Misurando la rotazione di Andromeda, videro che le stelle ai bordi giravano veloci quanto quelle vicino al centro. Con la sola materia visibile, avrebbero dovuto rallentare come fanno i pianeti lontani dal Sole. Il disco doveva essere avvolto da un enorme alone di massa invisibile.

La prova più famosa arriva nel 2006 dall'Ammasso del Proiettile (Bullet Cluster), due ammassi di galassie che si sono scontrati. Il gas caldo, che contiene gran parte della materia ordinaria, è rimasto frenato al centro dello scontro. La massa misurata con le lenti gravitazionali, cioè con il modo in cui la gravità curva la luce, si trova invece altrove. Materia ordinaria e massa totale si sono separate. Il gruppo guidato da Douglas Clowe l'ha definita «una prova empirica diretta dell'esistenza della materia oscura».

Oggi il satellite Planck dell'Agenzia Spaziale Europea ci dà i numeri più precisi. L'universo è fatto per circa il 68% di energia oscura, per circa il 27% di materia oscura e solo per circa il 5% di materia ordinaria. Per ogni chilo di materia "normale" ce ne sono più di cinque di materia oscura.

Della composizione dell'universo, e di quanto lo spazio sia molto meno "vuoto" di quanto sembri, abbiamo parlato anche nell'articolo L’universo.

Sappiamo cosa fa: pesa e attira con la sua gravità. Non sappiamo cosa sia. I candidati principali sono particelle ipotetiche come le WIMP (particelle massive a interazione debole) e gli assioni, oppure buchi neri primordiali. C'è anche un candidato che viene dal mondo dei quark, e per capirlo bisogna rimpicciolire di molto la scala.

Cos'è un quark strange

Protoni e neutroni, i mattoni dei nuclei atomici, non sono particelle elementari. Sono fatti di particelle più piccole chiamate quark. Un protone contiene due quark up e un quark down, un neutrone un up e due down. In natura esistono sei tipi (i fisici li chiamano "sapori") di quark: up, down, strange, charm, bottom e top.

Il quark strange appartiene alla seconda generazione della materia. Ha la stessa carica elettrica del down, pari a −1/3 della carica dell'elettrone, ma è molto più pesante: circa 95 MeV/c², circa venti volte il down e circa un decimo della massa di un intero protone. (Il MeV, "milione di elettronvolt", è l'unità di misura dell'energia e della massa usata nella fisica delle particelle.)

Il nome ha una storia curiosa. Nel 1947 George Rochester e Clifford Butler, all'Università di Manchester, scoprirono nei raggi cosmici particelle nuove, i kaoni, che si comportavano in modo "strano": nascevano facilmente ma vivevano molto più a lungo del previsto. Per spiegarle Murray Gell-Mann e Kazuhiko Nishijima introdussero negli anni '50 una nuova proprietà, la stranezza. Nel 1964 Gell-Mann e George Zweig proposero, indipendentemente, il modello a quark: la stranezza era portata da un quark apposito, lo strange. Le prime prove sperimentali dell'esistenza dei quark arrivarono dagli esperimenti di SLAC, in California, nel 1968.

La materia strana: più stabile del ferro?

Qui inizia la parte davvero audace. Nel 1971 Arnold Bodmer e poi, nel 1984, Edward Witten avanzarono un'ipotesi: un "impasto" di quark up, down e strange in quantità quasi uguali, non più chiusi dentro protoni e neutroni ma liberi in un unico blocco, potrebbe essere più stabile di qualsiasi nucleo atomico, perfino del ferro-56, considerato il nucleo più stabile in natura. È l'ipotesi della materia strana.

Il motivo sta in una regola della fisica quantistica, il principio di esclusione di Pauli: due quark identici non possono occupare lo stesso stato. In un blocco fatto solo di up e down, i "posti" a bassa energia si riempiono presto e i quark successivi sono costretti a salire di energia. Aggiungere un terzo tipo di quark apre una nuova serie di posti liberi. Anche se lo strange è più pesante, l'energia totale può scendere.

Se è così vera, perché il mondo non è fatto di materia strana? Perché un nucleo normale, per trasformarsi, dovrebbe convertire molti quark in quark strange tutti nello stesso istante, e la probabilità che succeda è praticamente nulla. La materia ordinaria sarebbe quindi soltanto "metastabile", come un sasso fermo su un gradino che non ha modo di scendere.

La materia strana, se esiste, è densissima, simile alla materia dei nuclei atomici. Una zolletta di zucchero di materia strana peserebbe centinaia di milioni di tonnellate. Nel 1984 Edward Farhi e Robert Jaffe ne hanno studiato le proprietà in dettaglio. L'ipotesi non è ancora stata né confermata né smentita.

Lo strangelet: un pezzetto di materia strana

Uno strangelet (letteralmente "pezzetto strano") è un piccolo frammento di materia strana, grande più o meno quanto un nucleo atomico o poco di più.

Quanto può diventare grande? La risposta è sorprendente: non esiste un limite di principio verso l'alto. Gli strangelet più piccoli sarebbero instabili, perché gli effetti di superficie li disgregano. Sotto una certa soglia di dimensioni, che dipende da parametri ancora sconosciuti, non potrebbero esistere. Sopra quella soglia, la materia strana è "autolegata": si tiene insieme da sola, senza bisogno della gravità. Può quindi esistere a ogni scala: frammenti microscopici, "pepite" macroscopiche, oggetti grandi come montagne, fino a intere stelle.

Uno strangelet può anche crescere. Se entra in contatto con i neutroni, che non hanno carica elettrica e quindi non vengono respinti, può assorbirli e trasformarli in altra materia strana. Nel 1986 Charles Alcock, Edward Farhi e Angela Olinto calcolarono che un solo strangelet, finito dentro una stella di neutroni, potrebbe convertire l'intera stella in materia strana.

Viene naturale chiedersi se possa succedere anche sulla Terra. Quando nel 2000 entrò in funzione il collisore RHIC, negli Stati Uniti, un gruppo di fisici guidato da Robert Jaffe studiò proprio questo scenario. La conclusione fu che il rischio è inesistente. Gli strangelet prodotti negli acceleratori, se mai si formassero, sarebbero con ogni probabilità di carica positiva, quindi respinti dai nuclei normali. Inoltre la natura fa lo stesso esperimento da miliardi di anni: la Luna, bombardata di continuo dai raggi cosmici ad altissima energia, è ancora lì.

Le stelle strane

Se l'ipotesi è vera, alcune delle stelle che chiamiamo "di neutroni" potrebbero essere in realtà stelle strane, fatte interamente di quark. Il concetto è stato sviluppato proprio da Alcock, Farhi e Olinto nel 1986.

Una stella strana avrebbe una massa massima di circa 2 masse solari: oltre quel limite collasserebbe in un buco nero. Il suo raggio sarebbe di circa 10 chilometri, quanto una città, per una massa pari a quella del Sole. E poiché la materia strana si tiene insieme da sola, non esiste una massa minima: potrebbero esistere stelle strane leggerissime, perfino "pianeti strani". È una differenza netta rispetto alle stelle di neutroni ordinarie, che hanno bisogno della gravità per stare insieme.

Esiste un candidato reale. Nel 2022 un gruppo guidato da Victor Doroshenko ha studiato su Nature Astronomy l'oggetto compatto al centro del resto di supernova HESS J1731-347. Ha misurato un raggio di circa 10,4 km e una massa di appena 0,77 masse solari, meno del nostro Sole. È troppo leggero per le teorie standard sulle stelle di neutroni, che prevedono masse di almeno 1,1 volte quella del Sole. Gli autori indicano tre possibilità: una stella di neutroni insolitamente leggera, una stella di quark oppure una stella "ibrida". La questione è aperta.

I primi candidati: RX J1856.5-3754 e 3C 58

La caccia alle stelle strane era iniziata vent'anni prima. Il 10 aprile 2002 la NASA annunciò che il telescopio a raggi X Chandra, insieme a Hubble, aveva trovato due stelle "troppo strane" per essere normali stelle di neutroni.

La prima è RX J1856.5-3754, una stella di neutroni isolata a circa 400 anni luce da noi, una delle più vicine che conosciamo. Il gruppo di Jeremy Drake misurò una temperatura di circa 700.000 gradi e dedusse un diametro di appena 11 chilometri circa: troppo piccolo per una stella di neutroni, ma giusto per una stella di quark.

La seconda è la pulsar al centro della nebulosa 3C 58, a circa 10.000 anni luce. All'epoca si pensava che fosse ciò che resta della supernova osservata dagli astronomi cinesi e giapponesi nel 1181, quindi una stella giovanissima, di circa 800 anni. Il gruppo di Patrick Slane scoprì che era molto più fredda del previsto per un'età così giovane. Una materia esotica al suo interno, come i quark liberi, avrebbe potuto raffreddarla più in fretta.

Come è andata a finire? Per essere precisi, gli studi successivi hanno indebolito entrambi i casi.

Per RX J1856.5-3754, nel 2007 il gruppo di Wynn Ho è riuscito a spiegare tutta la sua luce, dai raggi X al visibile, con un modello più realistico: una stella di neutroni ricoperta da una sottile atmosfera di idrogeno, con un forte campo magnetico. Con questo modello il raggio "visto da lontano" risulta di circa 17 chilometri, del tutto normale per una stella di neutroni. Il raggio piccolo del 2002 dipendeva in gran parte dal modello più semplice usato allora. Nel 2010 il gruppo di Frederick Walter ha confermato con Hubble la sua distanza di circa 400 anni luce.

Per 3C 58, nel 2021 il gruppo di Andreas Ritter ha dimostrato che il vero resto della supernova del 1181 è un'altra nebulosa, chiamata Pa 30. La pulsar di 3C 58 è quindi molto più vecchia, qualche migliaio di anni. Una stella più anziana ha avuto più tempo per raffreddarsi. L'argomento principale a favore della materia esotica, la sua giovane età, è caduto.

Oggi i candidati stelle strane più discussi sono quindi altri, come HESS J1731-347, di cui abbiamo appena parlato, e XTE J1814-338, che troverete più avanti. Anche questa è scienza: un'ipotesi affascinante messa alla prova e corretta dai dati.

Le stelle oscure

Anche la materia oscura potrebbe aver acceso delle stelle. Attenzione però al nome: le stelle oscure (in inglese dark stars) non sono fatte di materia oscura. Sono enormi nubi di idrogeno ed elio, come le stelle normali. La materia oscura è solo una frazione minuscola, meno dello 0,1% della massa, ma è lei a fornire l'energia.

L'idea è stata proposta nel 2008 da Douglas Spolyar, Katherine Freese e Paolo Gondolo. Nell'universo primordiale le prime nubi di gas si formavano al centro di grandi aloni di materia oscura. Se la materia oscura è fatta di particelle che, scontrandosi tra loro, si annichilano (cioè si distruggono convertendosi in energia), il calore prodotto potrebbe aver sostenuto le nubi dall'interno, impedendo il collasso che accende la fusione nucleare. Il risultato sarebbe una stella di tipo nuovo, alimentata non dalla fusione ma dalla materia oscura.

E sarebbero giganti. Secondo la rassegna di Freese e colleghi pubblicata nel 2016, le stelle oscure avrebbero una superficie relativamente "fredda", circa 10.000 gradi, e un raggio di circa 10 unità astronomiche (un'unità astronomica è la distanza Terra-Sole). Messa al posto del Sole, una stella oscura arriverebbe quasi all'orbita di Saturno. Potrebbero superare un milione di masse solari, splendere più di dieci miliardi di Soli e vivere da milioni a miliardi di anni.

James Webb le ha viste?

Forse. Nel 2023 Cosmin Ilie, Jillian Paulin e Katherine Freese hanno segnalato su PNAS tre oggetti lontanissimi osservati dal telescopio spaziale James Webb come possibili stelle oscure supermassicce: JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0. La loro luce è partita poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang.

Nel 2025, sempre su PNAS, il gruppo ha analizzato gli spettri, cioè la luce scomposta nei suoi colori, di quattro candidati: JADES-GS-z11-0 e JADES-GS-z13-0, già segnalati nel 2023, più due nuovi, JADES-GS-z14-0 e JADES-GS-z14-1. JADES-GS-z12-0 non è stato rianalizzato in questo studio. In JADES-GS-z14-0 ha trovato un possibile segnale caratteristico: un assorbimento della luce a 1640 ångström dovuto all'elio ionizzato, considerato la "firma" di una stella oscura. Il segnale però è debole, appena due volte il rumore di fondo. Gli stessi autori ammettono che le osservazioni del radiotelescopio ALMA su quell'oggetto rendono improbabile che sia una stella oscura isolata, e che tutti i candidati sono compatibili anche con normali galassie giovani. Servono altre osservazioni.

Le novità più recenti vanno in un'altra direzione. Nell'aprile 2026 un gruppo di 34 ricercatori guidato dall'italiano Stefano Carniani ha pubblicato uno studio, inviato alla rivista Astronomy & Astrophysics, in cui ha osservato attorno a JADES-GS-z14-0 un segnale molto netto di carbonio. Gli autori lo interpretano come gas espulso da una galassia giovane, con un fortissimo "vento" di materia. Lo studio non parla di stelle oscure. Però il carbonio è un elemento prodotto dalle stelle normali, e tanto carbonio si concilia con difficoltà con l'idea di una stella oscura isolata e primordiale. Per ora la spiegazione più semplice resta quella di una galassia, ma la partita non è chiusa per gli altri candidati.

Una stella, due ipotesi: il caso XTE J1814-338

C'è poi un oggetto che mette in gioco entrambe le idee di questo articolo. Si chiama XTE J1814-338: è una stella di neutroni che ruota su sé stessa centinaia di volte al secondo e, ogni tanto, produce lampi di raggi X. Nel 2003 il satellite della NASA Rossi X-ray Timing Explorer ne ha registrato un'esplosione.

Nel 2024 un gruppo guidato da Yves Kini, dell'Università di Amsterdam, ha ricostruito dalla forma di quei lampi le dimensioni della stella e ha pubblicato i risultati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. La stella si trova a circa 23.000 anni luce da noi e ha una massa di 1,21 masse solari, ma un raggio di appena 7 chilometri. È troppo piccola e troppo compatta per i modelli standard delle stelle di neutroni. Per spiegarla sono nate due ipotesi, e tutte e due chiamano in causa la materia oscura.

Prima ipotesi: una stella di neutroni con dentro materia oscura. Secondo Luiz Lopes e Adamu Issifu (Physics of the Dark Universe, 2025), una certa quantità di materia oscura mescolata alla materia della stella la comprimerebbe fino a quelle dimensioni ridotte.

Seconda ipotesi: una stella strana fatta soprattutto di materia oscura. Per Shu-Hua Yang e Fridolin Weber (Chinese Physics Letters, 2026), XTE J1814-338 si spiega come una stella strana mescolata a materia oscura di un tipo particolare, fatta di particelle chiamate bosoni. C'è però una condizione sorprendente: la materia oscura dovrebbe essere più del 70% della stella. Sarebbe quindi, nel vero senso della parola, una stella di materia oscura con dentro materia strana. Gli autori sottolineano che la loro ipotesi è verificabile: le future osservazioni del telescopio NICER e dei rivelatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo potranno confermarla o smentirla.

Attenzione a non confondere questa idea con le stelle oscure di Freese. Quelle sono giganti di gas "riscaldati" da pochissima materia oscura. XTE J1814-338 sarebbe invece un oggetto minuscolo e densissimo, fatto in gran parte di materia oscura.

C'è infine una cautela importante. Gli stessi autori della misura avvertono che il loro modello è semplificato: descrive la zona calda sulla superficie della stella come un'unica macchia a temperatura uniforme, e non tiene pienamente conto della materia che la stella risucchia dalla compagna. Quel raggio di 7 chilometri va quindi confermato con altre misure prima di parlare di scoperta.

Il filo che le unisce

Le due storie si incontrano. Già nel 1984 Witten aveva ipotizzato che grosse pepite di materia strana, formate nell'universo primordiale, potessero essere proprio la materia oscura: sarebbero invisibili, pesanti e non emetterebbero luce. Quarant'anni dopo un gruppo con forte presenza italiana (Francesco Di Clemente, Marco Casolino, Alessandro Drago, Massimiliano Lattanzi e Claudia Ratti) ha riesaminato l'idea su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). Ha descritto un meccanismo con cui queste pepite potrebbero essersi formate e stabilizzate, con masse fino a circa 10¹⁷ grammi. È un intervallo in cui i buchi neri primordiali sono già esclusi dalle osservazioni, e quindi offre un modo per distinguere i due candidati.

Cosa sappiamo davvero

Mettiamo in ordine le certezze. La materia oscura esiste: i suoi effetti gravitazionali sono misurati in modi diversi e indipendenti. Cosa sia, non lo sappiamo. La materia strana, gli strangelet, le stelle strane e le stelle oscure sono ipotesi scientifiche serie, pubblicate su riviste rigorose, con alcuni candidati osservativi interessanti, come HESS J1731-347, XTE J1814-338 e le sorgenti lontanissime viste da James Webb, ma nessuna è ancora confermata.

È proprio questo il bello. In uno dei temi più grandi della fisica, la risposta potrebbe venire da un quark "strano" scoperto grazie ai raggi cosmici, o da una stella gigante che brillava quando l'universo era appena nato.