Materia oscura
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In cosmologia, il termine materia oscura indica quella componente di materia che manifesta i suoi effetti gravitazionali in molteplici fenomeni astronomici, ma le cui condizioni o la cui natura sono diverse rispetto alla materia visibile.
Nonostante dettagliate mappe dell'Universo vicino che coprono lo spettro dalle onde radio ai raggi gamma, siamo in grado di individuare solo il 10% della sua massa. Come disse nel 2001 al New York Times Bruce H. Margon, astronomo all'Università di Washington: "È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90 per cento [della materia] dell'Universo." Le più recenti misure indicano infatti che la materia oscura costituisce circa il 30% dell' energia dell'Universo, e circa il 90% della massa.
Venne inizialmente indicata come massa mancante, ed in effetti i termini "oscura" e "mancante" riassumono abbastanza bene tutto ciò che ne sappiamo attualmente. Effettivamente esiste materia, perché possiamo osservarne gli effetti gravitazionali della sua massa. Tuttavia, questa materia non emette alcuna radiazione elettromagnetica, e non risulta pertanto individuabile dagli strumenti di analisi spettroscopica, da cui l'aggettivo oscura. Il termine massa mancante può essere fuorviante, dato che non è la massa a mancare, ma solo la sua luce.
Esistono al momento diverse ipotesi per spiegare la natura fisica della massa mancante, da particelle subatomiche esotiche a una popolazione di buchi neri isolati, fino a meno esotiche nane bianche e brune.
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[modifica] Le evidenze osservative
[modifica] La massa mancante
La storia ebbe inizio nel 1933, quando l'astronomo Fritz Zwicky stava studiando il moto di ammassi di galassie lontani e di grande massa, nella fattispecie l'ammasso della Chioma e quello della Vergine. Zwicky stimò la massa di ogni galassia dell'ammasso basandosi sulla sua luminosità, e sommò tutte le masse galattiche per ottenere la massa totale dell'ammasso. Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità individuali delle galassie nell'ammasso. Con sua grande sorpresa, questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte più grande della stima basata sulla luce delle galassie.
Sebbene l'evidenza sperimentale fosse già forte ai tempi di Zwicky, fu solo negli anni Settanta che gli scienziati iniziarono ad esplorare questa discrepanza in modo sistematico. Fu in quel periodo che l'esistenza della materia oscura iniziò ad essere presa sul serio. L'esistenza di tale materia non avrebbe solo risolto la mancanza di massa negli ammassi di galassie, ma avrebbe avuto conseguenze di ben più larga portata sulla nostra capacità di predire l'evoluzione e il destino dell'Universo stesso.
[modifica] La rotazione delle Galassie
Una ulteriore evidenza osservativa della necessità della materia oscura fu fornita dalle curve di rotazione delle galassie spirali. Le galassie spirali contengono una vasta popolazione di stelle poste su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Come accade per le orbite planetarie, ci si aspetta che stelle con orbite galattiche più grandi abbiano velocità orbitali minori (si tratta di una semplice conseguenza della terza legge di Keplero). Per la verità, la terza legge di Keplero è applicabile soltanto a stelle vicine alla periferia di una galassia spirale, poiché presuppone che la massa racchiusa dall'orbita sia costante.
Tuttavia gli astronomi hanno condotto osservazioni delle velocità orbitali delle stelle nelle regioni periferiche di un gran numero di galassie spirali, e in nessun caso esse seguono la terza legge di Keplero. Invece di diminuire a grandi raggi, le velocità orbitali rimangono con ottima approssimazione costanti. L'implicazione è che la massa racchiusa da orbite di raggio via via maggiore aumenti, anche per stelle che sono apparentemente vicine al limite della galassia. Sebbene si trovino presso i confini della parte luminosa della galassia, questa ha un profilo di massa che apparentemente continua ben al di là delle regioni occupate dalle stelle.
Ecco un altro modo di vedere il problema: consideriamo le stelle presso la periferia di una galassia spirale, con velocità orbitali osservate tipicamente di 200 chilometri al secondo. Se la galassia fosse composta solo dalla materia che possiamo vedere, queste stelle la abbandonerebbero in breve tempo, dato che le loro velocità orbitali sono quattro volte più grandi della velocità di fuga dalla galassia. Dato che non si osservano galassie che si stiano disperdendo in questo modo, al loro interno deve trovarsi della massa di cui non teniamo conto quando sommiamo tutte le parti che possiamo vedere.
Il 21 agosto 2006 la NASA rilascia un comunicato stampa secondo cui Chandra avrebbe trovato prove dirette dell'esistenza della materia oscura, nello scontro tra due ammassi di galassie.[1] All'inizio del 2007 gli astronomi del Cosmic Evolution Survey la Hubble Space Telescope utilizzando le informazioni ottenute dal telescopio Hubble e da strumenti a terra hanno tracciato una mappa della materia oscura rilevando che questa permea l'universo, ove si trova materia visibile deve essere presente anche grande quantità di materia oscura ma questa è presente anche in zone dove non si trova materia visibile[2].
[modifica] Le lenti gravitazionali
Un'altra prova dell'esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali. In molti casi l'effetto della deviazione della luce è creato da una massa visibile insufficiente. Per questa ragione si sospetta la presenza di massicce quantità di materia oscura in grado di deviare il percorso della luce più di quanto lo farebbe la materia effettivamente visibile.
[modifica] Ipotesi sulla materia oscura
In letteratura sono comparse parecchie teorie per spiegare la massa mancante legate a diversi fenomeni:
[modifica] WIMP
La massa oscura è divisa in barionica e non barionica:
- la materia oscura barionica è composta di materiali analoghi a quelli componenti le stelle, che però non emette radiazioni;
- la materia oscura non barionica è composta da materiali intrinsecamente diversi (particelle supersimmetriche [ neutralini ], neutrini massivi, assioni), soggetti solo alla forza gravitazionale e alla forza d'interazione nucleare debole, che rappresentano in massa il 90% della massa oscura. Questo materiale è detto WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, particelle di grande massa debolmente interagenti).
[modifica] Teorie alternative
- i MACHO (MAssive Compact Halo Objects, oggetti compatti di grande massa dell'alone), buchi neri primordiali;
- i neutrini dotati di massa;
- stelle solitoniche;
- stelle di bosoni;
- pepite di quark.
Bisogna notare tuttavia che diversi ricercatori, attualmente una minoranza della comunità scientifica, non considerano soddisfacente l'ipotesi della materia oscura fisica. Ne riportiamo qui un elenco non esaustivo.
- Arrigo Finzi, Gravitazione modificata (1963)
- Robert Sanders, Gravitazione modificata (1984)
- John W. Moffatt´s NGT[3], Nonsymmetric gravitational theory (1994)
- Alexander Mayer (2005)
- Un'altra teoria alternativa è stata proposta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom sotto il nome di MOND[4], acronimo di Modified Newtonian Dynamics (1981). Essa prevede che sulle scale di accelerazione tipiche delle zone esterne delle galassie la legge di gravitazione universale di Newton debba essere leggermente modificata, in modo da tener conto delle curve di rotazione piatte senza fare ricorso alla materia oscura.
- Jacob Bekenstein´s TeVeS[5], Tensor-Vector-Scalar gravitation (2004). La teoria MOND è stata anche sostenuta e rielaborata dal pioniere della termodinamica dei buchi neri, Jakob David Bekenstein.
- Johan Masreliez' SEC[6], Scale Expanding Cosmos model (1999). SEC è un modello cosmologico completo basato sulla teoria generale di relatività che richiama tutti i tipi di edizioni. Non nega l'esistenza della materia oscura, ma non ha bisogno di spiegare le curve di rotazione delle galassie o delle altre anomalie gravitazionali [7].
- Maurizio Michelini [8] (Apeiron Journal, April 2007) La teoria prevede la presenza di sorgenti gravitazionali “addizionali” nel quadro di una teoria più generale dell’inerzia e della gravitazione. La forza gravitazionale dipende infatti non dalla “massa gravitazionale” di Newton, ma da una complessa azione di autoschermo esercitata sulle masse da un flusso di micro-quanti (con lunghezza d'onda uguale alla lunghezza di Planck ed energia piccolissima) che riempie l’universo. Nelle collisioni dei micro-quanti con la materia si generano innanzitutto le forze d’inerzia relativistiche. Inoltre all’interno dei corpi celesti superdensi i micro-quanti subiscono un numero di collisioni altissimo, perdendo un poco della loro energia e generando una forza gravitazionale addizionale. Ad esempio la costante di gravitazione delle neutron stars è pari a 200-300 volte G. Poiché le stelle di neutroni sono disseminate nelle galassie, può essere sufficiente che rappresentino 2-3% della massa totale per sortire un effetto gravitazionale tale da spiegare (insieme con il contributo della popolazione di brown dwarfs) le elevate velocità di rotazione osservate.
Le teorie che prevedono una modifica della dipendenza del campo gravitazionale dalla distanza si sono rivelate inadatte a rendere ragione delle curve di rotazione delle galassie a spirale, perché le loro previsioni risulterebbero in conflitto con altre evidenze osservative universalmente accettate. La teoria MOND pare a tutt'oggi difficilmente compatibile con la relatività generale, ma rappresenta l'ambito di ricerca meglio conosciuto realisticamente competitivo con il paradigma della materia oscura nella spiegazione dei moti galattici.
Nessuna singola teoria è stata finora accettata dalla comunità astronomica, poiché siamo privi dei mezzi per verificare in modo risolutivo una teoria rispetto all'altra.
[modifica] La materia oscura nella fantascienza
- Lo scrittore di fantascienza Valerio Evangelisti ha fantasticato nel suo Eymerich la presenza di una forma di particelle sconosciuta, detta psitroni. Tali entità sarebbero in grado di interagire con la mente umana, e viceversa, rendendo così difficile la misurazione del mondo subatomico (fornendo così una spiegazione fantasiosa al Principio di indeterminazione di Heisenberg).
- Nella trilogia di libri fantasy "Queste oscure materie" di Philip Pullman viene più volte citata la materia oscura sotto il nome di "polvere"
- Nel gioco di fantascienza Ogame a partire dalla versione 0.76c la materia oscura è utilizzata come credito per i servizi a pagamento, acquistandola od ottenendone piccolissime quantità in gioco attraverso particolari missioni dette spedizioni.
[modifica] Riferimenti e note
- ^ *(EN) Comunicato stampa della NASA
- ^ Mappa della materia oscura
- ^ J. W. Moffat, "Nonsymmetric Gravitational Theory", Nov 1994
- ^ Mordehai Milgrom; Do Modified Newtonian Dynamics Follow from the Cold Dark Matter Paradigm?, Astrophysical Journal, May 2002
- ^ J.D. Bekenstein, Phys. Rev. D70, 083509 (2004), Erratum-ibid. D71, 069901 (2005) arXiv:astro-ph/0403694
- ^ Masreliez C. J., Scale Expanding Cosmos Theory II–Cosmic Drag, Apeiron Okt (2004)
- ^ Masreliez C J Dynamic incremental scale transition with application to physics and cosmology, Physica Scripta (nov 2007)
- ^ M.MicheliniA flux of micro quanta explains Relativistic Mechanics and the Gravitational Interaction (http://www.redshift.vif.com)
[modifica] Fonti
[modifica] Altri progetti
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[modifica] Collegamenti esterni
Esperimenti per la ricerca di materia oscura:
News sulla materia oscura:
