“Dietro le quinte del nostro universo”

Materia oscura

Che cos’è la materia oscura?

In cosmologia con materia oscura si definisce un'ipotetica componente di materia che, diversamente dalla materia conosciuta, o luminosa, non emetterebbe radiazioni elettromagnetiche e sarebbe attualmente rilevabile solo in modo indiretto attraverso i suoi effetti gravitazionali.

Le più recenti misure indicano che la materia oscura costituirebbe circa l'86% della massa dell'universo.

Materia oscura o materia mancante?

Inizialmente veniva indicata come "massa mancante", ma conil progredire delle ricerche il termine “mancante” è apparsofuorviante.

Pur non essendo osservabile direttamente, la materia oscuraesiste e gli effetti gravitazionali della sua presenza sonorilevabili e osservabili indirettamente.

Non è la massa a mancare, bensì la luce.

Per queste ragioni oggi si preferisce utilizzare il termine“materia oscura”.

Perché la materia oscura è importante?

Secondo l'attuale cosmologia, basata sulla teoria delBig Bang, la materia visibile delle galassie non è inquantità sufficiente per garantire una forza di gravitàtale da mantenere stabili le galassie e gli ammassistellari.

Per giustificare l'attuale dinamica delle galassie, lamassa della materia nelle galassie deve esserenecessariamente superiore a quella che si osservaattraverso le radiazioni elettromagnetiche. Quindi lostudio della materia oscura assume una grandeimportanza nelle teorie dell'espansione dell'universo.

Di cosa è fatta la Materia Oscura?

La natura della materia oscura può avere variecomponenti:

una di tipo barionico e una, di tipo non barionico.

La componente barionica, è costituita da oggettimassicci ma non luminosi, come pianeti, nanebianche, nane brune , stelle di neutroni e buchi neri.

La componente non barionica, non è costituita daoggetti compatti, ma da particelle non ancorascoperte. Si ipotizza che possa trattarsi di particellesupersimmetriche, quali neutralini, o neutrinimassicci.Esse vagherebbero nel Cosmo, addensandosiin prossimità delle galassie a causa dell’attrazionegravitazionale.

1. Problema della velocità di fuga

Negli anni ’30 l’astronomo Fritz Zwicky esaminògli elementi dell’ammasso di galassie dellacostellazione della Chioma di Berenice.

Egli stimò la massa totale del sistema sommando ilmateriale galattico luminoso, trovò qualcosa diinaspettato: le singole galassie avevano una velocitàmaggiore della presumibile velocità di fuga,dovuta all’attrazione gravitazionale dell’ammassostesso.

Prove dell’esistenza della materia oscura

Prove dell’esistenza della materia oscura

Zwicky misurò che la velocità del moto di benotto galassie era di 1019 +- 360 km/s, mentrequella di fuga era di soli 706 +- 267 km/s.

Secondo i dati elaborati da Zwicky i suoicomponenti avrebbero dovuto disperdersi inpoco tempo. Poiché la velocità di fuga dipendedalla massa del sistema che genera il campogravitazionale, Zwicky dovette ammettere chel’ammasso della Chioma deve necessariamentecontenere più materia rispetto alla semplicemateria luminosa.

Prove dell’esistenzadella materia oscura

Gli elementi di un sistema in rotazioneintorno ad una massa (una galassia, unsistema planetario etc…) possono esseredisposti su un grafico che riporti sull’assedelle ascisse la distanza dal centro di massaattorno al quale sono in rotazione. La teoriadella gravitazione classica di Newton e leleggi di Keplero prevedono una curva conun andamento decrescente.

Uguagliando infatti la forza gravitazionaledella legge di Newton e la forza centripeta si

ha:𝐺𝑀𝑚

𝑑2=𝑚𝑣2

𝑑da cui V =

𝐺𝑀

𝑑

Le curve di rotazione degli elementi di unsistema planetario o di una galassiadovrebbero avere questo andamento.

2. Le curve di rotazione delle galassie

Prove dell’esistenza della materia oscuraSe applichiamo questi principi al sistema solare, i risultatiteorici per gli 8 pianeti in orbita attorno al Sole sonopienamente verificati. (A)

Mentre se applichiamo tale ragionamento alla Via Lattea emisuriamo la velocità del Sole attorno al nucleo dellaGalassia, possiamo, tramite una curva di rotazione, stimare lamassa della Galassia stessa.

Ora, misurando le velocità di oggetti più lontani in orbitaattorno alla galassia mi aspetto di trovarli sulla curva ottenutatramite le misurazioni sul Sole.

I dati raccolti non si conciliano assolutamente con lepredizioni newtoniane per le quali la data curva di rotazionedipende da una distribuzione di massa tutta concentrata neldisco galattico. (B)

Quindi o abbiamo sbagliato teoria gravitazionale, oppure lamassa della Galassia non può essere solo quella, e soprattutto,non è concentrata nella galassia stessa.

Prove dell’esistenza della materia oscura

La velocità orbitale rimane quasi costanteanche a distanze dieci volte quella del Sole dalcentro galattico, in cui la densità delle stelle èscesa quasi a zero. Per le galassie a spirale ci siaspetta un rapido aumento della velocitàquando restiamo all’interno del disco galattico,e poi una diminuzione con l’andamento primaindicato. Ciò suggerisce la presenza di massadove non ci sono stelle.

Queste analisi portano a concludere che nellaregione della nostra galassia analizzata si puòinferire l’esistenza di una quantità di massaalmeno dieci volte maggiore della massaassociata a tutta la materia visibile nellaGalassia. Non solo: questa massa è distribuitasino a distanze almeno dieci volte maggiori diquelle occupate dalla materia visibile.

Prove dell’esistenza della materia oscura3.Le lenti gravitazionali

Un'altra possibile prova dell'esistenza della materia oscura è

data dalle lenti gravitazionali.

Una lente gravitazionale è una distribuzione di materia in

grado di curvare la traiettoria della luce in transito in modo

analogo a una lente ottica.

La massa visibile risulta insufficiente per creare una lente

gravitazionale, per cui si prefigura la presenza di massicce

quantità di materia oscura, ottenendo una massa totale in

grado di deviare il percorso della luce.

Prove dell’esistenza della materia oscura

4.La deviazione della luce

Nel 2008, alcuni ricercatori dall'Istituto di

Astrofisica di Parigi, utilizzando il telescopio

Canada-France-Hawaii Telescope (Cfht), posto sul

monte Mauna Kea nelle Hawaii, osservarono

migliaia di immagini per verificare la deviazione

che la luce subiva nel suo viaggio cosmico e

constatarono che essa veniva deviata anche in punti

dove non erano visibili masse.

Possibili distribuzioni di materia oscura

Supponiamo che nel nostro Sistema Solare vi sia una quantitàconsiderevole di polvere. Supponiamo inoltre che questa polverediminuisca di densità rapidamente, in funzione del quadrato delladistanza.Disegnando la curva di rotazione per il nostro sistema

planetario non possiamo non tenerne conto. La

relazione di Newton sarebbe ovviamente ancora

valida, ma ora dovremmo utilizzare in questa

relazione non solamente la massa del Sole, bensì la

massa del Sole più la polvere contenuta all’interno

dell’orbita di ogni pianeta che analizziamo.

Ipotizziamo persino, per semplicità, che la polvere sia

talmente tanta da rendere trascurabile la massa del

Sole.

Possibili distribuzioni di materia oscura

Proviamo a tracciare la curva di rotazione.

Se la densità della polvere diminuisce in funzione del quadrato della distanza, lamassa totale della polvere racchiusa all’interno di ogni sfera incentrata su questadistribuzione continuerà ad aumentare in proporzione diretta alla distanza dalcentro da cui la velocità è costante, indipendente dalla distanza.

Nella formula della velocità esposta precedentemente, V =𝐺𝑀

𝑑

infatti se la massa è esprimibile in funzione della distanza al primo grado,queste si elidono lasciando solamente delle costanti all’interno della radicequadrata.

Questo esempio scelto non a caso, potrebbe giustificare quelle curve dirotazione rilevate per la galassie a spirale.

Ovviamente in una galassia non è presente così tanta polvere o materialeinterstellare da giustificare un cambio così vistoso della curva. La massamancante, o materia oscura, che sappiamo essere presente nelle vicinanze (enon solo tanto vicino) di un disco galattico potrebbe disporsi in funzione delquadrato della distanza dal nucleo della galassia.

GRAZIE Antonella Izzo VD