MATERIA OSCURA:

In cosmologia, il termine materia oscura indica quella componente di materia che si manifesta attraverso i suoi effetti gravitazionali, ma non è direttamente osservabile.

Mappa tridimensionale della materia oscura elaborata da NASA, ESA e R. Massey (CALTECH).

Generalità:

Il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang; infatti non si potrebbe altrimenti spiegare la formazione di galassie e ammassi di galassie nel tempo calcolato dall'evento iniziale. Non ci si spiega inoltre come le galassie, oltre ad essersi formate, si possano mantenere integre anche se la materia visibile, composta da barioni, non è in grado di sviluppare una sufficiente attrazione gravitazionale. Anche da questa prospettiva il concetto di materia oscura assume senso solo all'interno dell'attuale Modello Standard, che prevede come unica forza cosmologica quella gravitazionale: se il Modello Standard risultasse errato non si avrebbe necessità di materia oscura, giacché l'ipotesi della sua esistenza deriva solo dalla violazione di un modello matematico e non da alcuna evidenza sperimentale certa. Nonostante dettagliate mappe dell'Universo vicino, che coprono lo spettro elettromagnetico dalle onde radio ai raggi gamma, si è riusciti ad individuare solo il 10% della sua massa, come dichiarato nel 2001 al New York Times da Bruce H. Margon, astronomo all'Università di Washington: « È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90% [della materia] dell'Universo. » Le più recenti misure indicano che la materia oscura costituisce circa l'86% della massa dell'universo e circa il 26% della sua energia. Inizialmente veniva indicata come "massa mancante", nonostante effettivamente esista materia, in quanto sono osservabili 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. La materia oscura non va confusa con la diversa ipotesi che va sotto il nome di energia oscura.

Cenni storici:

Nel 1933 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; questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte più grande della stima basata sulla luce delle galassie. Sebbene l'evidenza sperimentale ci fosse già ai tempi di Zwicky, fu solo negli anni settanta che gli scienziati iniziarono ad esplorare questa discrepanza in modo sistematico e che l'esistenza della materia oscura iniziò ad essere considerata. La sua scoperta non avrebbe solo risolto la mancanza di massa negli ammassi di galassie, ma avrebbe avuto conseguenze di ben più larga portata sulla capacità dell'uomo di predire l'evoluzione e il destino dell'Universo.

Variazione della materia oscura con la distanza (dati HST).

Nel 2008, grazie allo studio di diversi ricercatori, tra cui francesi e canadesi coordinati dall'Istituto di Astrofisica di Parigi, si ebbe la definitiva evidenza della presenza di materia oscura. Difatti, utilizzando il telescopio Canada-France-Hawaii Telescope (Cfht), posto sul monte Mauna Kea nelle Hawaii, gli studiosi osservarono migliaia di immagini per verificare la deviazione che la luce subiva nel suo viaggio cosmico, constatando che essa veniva deviata anche in punti dove non erano visibili masse. Fu grazie a queste osservazioni dei suoi effetti gravitazionali che, pur non visibile, si scoprì la materia oscura.

Potenziali evidenze della materia oscura:

LA ROTAZIONE DELLE GALASSIE Un'importante evidenza osservativa della necessità della materia oscura fu fornita dalle curve di rotazione delle galassie spirali. Queste galassie contengono una vasta popolazione di stelle poste su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Come accade per le orbite planetarie, secondo la terza legge di Keplero le stelle con orbite galattiche più grandi dovrebbero avere velocità orbitali minori; ma 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.

Curva di rotazione della galassia: (A): predetta; (B): osservata

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. Considerando le stelle presso la periferia di una galassia spirale, con velocità orbitali osservate normalmente di 200 chilometri al secondo, se la galassia fosse composta solo dalla materia visibile 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 si tiene conto quando si somma la massa di tutte le parti visibili..

LE LENTI GRAVITAZIONALI: Un'altra possibile prova dell'esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali. 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.

Lente gravitazionale in un gruppo di galassie.

ASPETTI SPERIMENTALI:

Il 21 agosto 2006 la NASA ha rilasciato un comunicato stampa secondo cui il telescopio Chandra avrebbe trovato prove dirette dell'esistenza della materia oscura nello scontro tra due ammassi di galassie. All'inizio del 2007 gli astronomi del Cosmic Evolution Survey e 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. Il 3 aprile 2013, gli scienziati della NASA hanno riferito che una traccia di materia oscura potrebbe essere stata rilevata dalla Alpha Magnetic Spectrometer sulla Stazione Spaziale Internazionale. I primi risultati della "Space-borne Alpha Magnetic Spectrometer" evidenziano un eccesso di positroni ad alta energia nei raggi cosmici, per il quale una delle spiegazioni possibili è la presenza di materia oscura.

Ipotesi sulla materia oscura:

In letteratura sono comparse numerose teorie per spiegare la natura della cosiddetta "massa mancante", legate a diversi fenomeni. La materia oscura sarebbe localizzata nel "nero" che circonda le stelle e viene distinta fondamentalmente in barionica e non barionica: La materia oscura barionica è quella composta da materia del tutto simile a quella che costituisce le stelle, i pianeti, la polvere interstellare, ecc., che però non emette radiazioni. Altri possibili costituenti della materia oscura barionica sono stati indicati nei MACHO (Massive Compact Halo Objects), oggetti compatti di grande massa dell'alone galattico. La materia oscura non barionica è rappresentata principalmente dalle ipotetiche particelle WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), dotate di grande massa unitaria, composte da materia intrinsecamente diversa dalla abituale barionica e debolmente interagente con essa, e quindi difficilmente rivelabili. Si ipotizza possa trattarsi di particelle supersimmetriche quali neutralini, o neutrini massicci, o assioni, o altre particelle mai osservate e soggette solo alla forza gravitazionale e all'interazione nucleare debole. Tre tipi di esperimenti cercano di rivelare queste particelle: I) producendole in acceleratori di particelle, II) vedendo l'energia che dovrebbero rilasciare quando urtano con la materia ordinaria, III) annichilazioni fra particelle di materia oscura presenti attorno al centro della galassia o del sole potrebbero dare particelle normali, quali neutrini, positroni, anti-protoni. Inoltre la scoperta che il neutrino ha massa, seppur estremamente bassa, lo rende candidato a rappresentare almeno un quota della materia oscura e potrebbe in parte spiegare l'eccesso di massa degli ammassi e superammassi di galassie, ma non quello delle singole galassie, perché esso si muove a velocità prossima a quella della luce, sfuggendo prima o poi all'attrazione gravitazionale ed uscendo da esse. Ulteriori ipotesi riguardano i buchi neri primordiali, le stelle brune, le stelle solitoniche, le stelle di bosoni e le pepite di quark. Si pensa che almeno il 90% della materia oscura sia non barionica. Infatti, essendo l'abbondanza cosmica del deuterio (un atomo di deuterio per ogni 100 000 di idrogeno) estremamente sensibile alla densità della materia sotto forma di barioni, una densità barionica maggiore avrebbe per conseguenza una presenza di deuterio molto più bassa. Al contrario l'abbondanza di deuterio osservata è compatibile con la densità della materia rilevabile. Viene fatta una distinzione anche in materia non barionica fredda, rappresentata essenzialmente dalle ipotetiche particelle "lente" WIMP, e materia non barionica calda, rappresentata dai neutrini, che, come detto, sono particelle superveloci.

Teorie alternative:

Una minoranza di ricercatori non considera soddisfacente l'ipotesi della materia oscura come spiegazione degli effetti osservati. Tra questi: Arrigo Finzi, gravitazione modificata, 1963. Robert Sanders, gravitazione modificata, 1984. John W. Moffatt, gravitazione non simmetrica (NGT, Nonsymmetric Gravitational Theory), 1994. Alexander Mayer, 2005. Mordehai Milgrom, teoria MOND, 1981, acronimo di Modified Newtonian Dynamics (dinamica newtoniana modificata). 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. La teoria MOND è stata anche sostenuta e rielaborata dal pioniere della termodinamica dei buchi neri, Jacob David Bekenstein. Jacob Bekenstein, tensor-vector-scalar gravitation (TeVeS), 2004. Johan Masreliez, Scale Expanding Cosmos model (SEC), 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. Maurizio Michelini. La sua 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 stelle di neutroni 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 nane brune) le elevate velocità di rotazione osservate. Dragan Slavkov Hajdukovic fisico del CERN ha proposto una nuova teoria che ipotizza la materia oscura come un'illusione creata dalla polarizzazione gravitazionale. Prendendo ad esempio una piastra dielettrica e inserendola in un capacitore piatto parallelo si ha come risultato una diminuzione del campo elettrico tra le piastre. Questo decremento è dovuto al fatto che le cariche elettriche di segno opposto si attraggono le une alle altre, ma se le cariche elettriche di segno opposto fossero repulsive, al posto di attrattive, allora il campo elettrico sarebbe aumentato. Dato che le cariche gravitazionali di segno opposto sono repulsive si ha che il campo gravitazionale aumenta e quindi la materia oscura sarebbe solo un'illusione.