Il bisogno di materia oscura

Il titolo del post dice tutto: si parla dell’inafferrabile, incomprensibile materia oscura che riempie l’universo. Ne avevamo già parlato poco poco in un post precedente. Oggi sarò più preciso (o perlomeno ci proverò, dai).
Innanzitutto le cifre. Togliamoci subito il rospo dicendo che circa il 68% di quello che compone l’universo è qualcosa di ancora più misterioso chiamato energia oscura; magari ne parleremo prossimamente più in dettaglio.
In questo post ci concentriamo sul restante circa 32% di cui il 27% circa è materia oscura mentre quello che rimane è la materia di cui siamo fatti tutti noi, i pianeti, le stelle (e in più una piccola percentuale di radiazione).
Ora in questo post non vi dirò cos’è la materia oscura (anche perché nessuno lo sa) né cercherò di dirvi cosa la materia oscura potrebbe essere. Piuttosto tenterò di spiegarvi perché ne abbiamo bisogno.
Tutto inizia nel 1933 con Fritz Zwicky, astrofisico svizzero nato in Bulgaria e trasferitosi negli Stati Uniti a lavorare. Analizzando alcuni dati dell’ammasso di galassie della Chioma, Zwicky si è reso conto che i valori delle velocità delle galassie non erano in accordo con i dati riguardanti la luminosità. Cerchiamo di capire perché, dato che la storia della materia oscura inizia proprio così.

Ammasso della Chioma  (Fonte: wikipedia.it)

Se uno misura la luminosità di un ammasso di galassie può stimarne la massa (in prima approssimazione questo è vero perché uno si aspetta che la massa sia dovuta agli oggetti che vede tramite radiazione elettromagnetica, cioè le stelle). Ma anche se uno misura la velocità delle galassie all’interno dell’ammasso può stimare la massa stessa dell’ammasso. Com’è possibile? La formula che si utilizza è chiamata teorema del viriale.
Senza entrare nei dettagli il punto è questo: Più un ammasso è massivo, più forte è il campo gravitazionale auto-generato dalle galassie che lo compongono, dunque più veloci quest’ultime si devono muovere nel sistema; un po’ come la situazione di un satellite che ruota attorno alla Terra il quale non cade radialmente perché ha una certa velocità tangenziale. Ho detto un po’ perché la situazione è leggermente diversa da punto di vista dinamico, ma comunque l’esempio può rendere più o meno l’idea.
Dunque, alla fine della fiera, misurando le velocità delle galassie all’interno dell’ammasso si può stimare la massa dell’ammasso. Come si misurano le velocità? Tramite effetto Doppler. Ricordate? La sirena che si sente più forte o più debole a seconda della velocità della macchina della polizia che si avvicina o allontana da noi. Con le galassie la stessa cosa, con la differenza che si misura l’effetto Doppler delle onde luminose, cioè nessuna sirena!
Fatto tutto ciò, Zwicky trovò che la massa stimata dall’utilizzo delle velocità è maggiore di quella stimata dall’utilizzo dei dati sulla luminosità. Perciò vi deve essere un’altra componente di massa che, siccome non deriva dalla componente luminosa, deve essere appunto oscura.
Poi le cose in astrofisica sono andate avanti e si è trovata anche un’altra tipologia di osservazioni per le quali si richiedeva la presenza di una nuova componente di materia: la curva di rotazione delle galassie spirali.
Uno guarda una galassia spirale e pensa: è come un disco dunque ruota come un disco. Allora gli astrofisici (in particolare l’astrofisica Vera Rubin lo ha fatto alla grande negli anni Settanta) si impegnano e iniziano a misurare come ruota una galassia spirale: come fanno? Misurano la velocità delle stelle? All’inizio hanno fatto così e hanno scoperto l’impensabile: le stelle hanno tutte la stessa velocità di rotazione indipendentemente dalla distanza dal centro della galassia!

Curva di rotazione di una galassia spirale. Confronto tra ciò che si misura e ciò che ci si aspetta senza materia oscura (Fonte: http://www.universetoday.com).

Questo NON è come ruota un disco solido! Infatti se abbiamo un disco solido la velocità dipende dalla distanza dal centro. Perché? Facile: se il disco è solido allora è chiaro che tutte le componenti ruotano insieme, altrimenti non sarebbe solido; questo si traduce dicendo che la velocità angolare del disco è costante. Ovvero se voi e un vostro amico vi mettete lungo lo stesso raggio di un disco solido che ruota allora vi troverete sempre sulla stesso raggio durante la rotazione, cioè fate un giro nello stesso tempo. Però se il vostro amico è più vicino al centro allora percorrerà una circonferenza minore rispetto alla vostra. Dunque, siccome il tempo è lo stesso per fare un giro, ma il vostro giro è più grande allora voi dovrete andare più veloci.
Quindi in un corpo solido la velocità aumenta all’aumentare della distanza dal centro. Ma questo non si osserva nelle galassie a spirale e quindi una galassia a spirale non è un corpo rigido, tanto per cominciare.
Ma andiamo avanti. Cosa fa girare le stelle? La forza di gravità. Quindi una stella ad una certa distanza dal centro galattico deve avere una velocità tale per cui evita di cadere verso il centro e quindi avere la possibilità di continuare il suo moto di rotazione. Però la forza di gravità diminuisce all’aumentare della distanza e quindi uno si aspetta lo stesso per la velocità circolare. Ovvero, se la forza di gravità è minore a grandi distanze dal centro galattico allora una stella può anche “permettersi” di andare più lenta ed evitare di cadere verso il centro (stavolta l’esempio Terra-satellite calza).
Ma come abbiamo detto prima non si osserva un calo nelle velocità bensì si ha che tutte le stelle indipendentemente dalla distanza ruotano alla stessa velocità!
Il mistero dunque si infittisce. L’unica soluzione (per ora!) è che ci sia una componente di materia che non vediamo (eccola là: oscura) tale per cui la forza di gravità generata è costante e così anche la velocità circolare all’aumentare della distanza.
Tutto ciò è stato misurato anche oltre la parte visibile luminosa delle galassie spirali. Infatti nelle spirali vi è anche il gas la cui distribuzione spaziale si estende anche al di là del disco luminoso. Misurando la velocità delle nubi di gas (di idrogeno neutro) si è potuto arrivare a grandi distanze dal centro di una galassia a spirale, dove non ci sono più molte stelle, e il risultato è sempre lo stesso: velocità circolare costante.
Bene, abbiamo dunque a che fare con la materia oscura. Ma non è finita. Perché forse tutto ciò che vi ho detto finora l’avete già sentito da qualche parte. Allora permettetemi di aggiungere qual è il vero cavallo di battaglia della materia oscura: la formazione delle galassie.
Quando si fa una teoria bisogna avere un riscontro dai dati. Dunque se ipotizza un meccanismo che abbia permesso la formazione delle galassie bisogna che quello che vediamo oggi nell’universo sia riprodotto dalle nostre fantastiche teorie.
Immaginiamo che nell’universo ci sia solo materia ordinaria (o barionica, come si suol dire). Come potrebbero essersi formate le galassie? La storia è complicata ma diciamo solo che, nonostante l’universo sia omogeneo e isotropo vi sono tuttavia delle piccole fluttuazioni di densità che poi, con l’espandersi dell’universo, crescono. Per la cronaca, queste fluttuazioni di densità sono spiegate all’interno della teoria dell’inflazione (di cui prima o poi parleremo, tranquilli).
Dunque possiamo pensare che queste fluttuazioni di densità crescano, crescano, crescano…e ad un certo punto collassano per effetto della propria gravità, si raggiunge un’equilibrio idrostatico e nascono le galassie.
Questo è un quadro molto semplificato ma è giusto per darvi un’idea.
Ora ipotizziamo che ci sia solo materia barionica. Gli astrofisici usano questa ipotesi e cosa trovano? Che le cose non tornano! In pratica che la formazione delle galassie è troppo lenta e non si trovano gli oggetti con le masse che osserviamo oggi.
Le cose cambiano parecchio se invece si inserisce la materia oscura. Vediamo molto brevemente perché.
Quante volte abbiamo sentito parlare della radiazione cosmica di fondo, anche chiamata eco del Big Bang, giusto per usare qualche parolone.

Radiazione cosmica di fondo, dati di Planck (Fonte: http://crd-legacy.lbl.gov)

Ebbene, si tratta di fotoni che ad un certo punto della storia dell’universo sono stati, in un certo senso, liberati. Prima di quel punto essi erano accoppiati (fidatevi, è la parola esatta!) alla materia barionica (in realtà agli elettroni, ma senza elettroni non si potevano avere atomi neutri); accoppiati vuol dire che i fotoni non riescono a viaggiare tranquillamente senza scontrarsi con un elettrone. Questa situazione cambia poiché l’universo si espande e pian piano i fotoni possono viaggiare sempre di più prima di incontrare un elettrone.
Comunque, senza entrare nei dettagli, il punto è che fin quando i barioni sono accoppiati ai fotoni non riescono a collassare e quindi a formare galassie. Perciò, in questo senso la formazione delle galassie è lenta o ritardata.
La materia oscura invece non è accoppiata agli innamoratissimi fotoni e barioni in quanto materia non-collisionale. Perché la materia oscura è non-collisionale? Perché non riusciamo a rivelarla, quindi vuol dire che interagisce poco o niente con il resto dell’universo se non per conto della forza di gravità.
Dunque, se la materia oscura è disaccoppiata allora le fluttuazioni di tale componente possono crescere tranquillamente e ad un certo punto collassare formando i cosiddetti “aloni” di materia oscura.
Al momento del disaccoppiamento tra barioni e fotoni, quest’ultimi viaggiano liberi come abbiamo detto.
I barioni invece, spaesati e impauriti, risentono l’attrazione gravitazione degli aloni e ci cadono dentro, collassano e formano le galassie.
Dunque in un universo senza materia oscura, bisogna attendere, dopo il disaccoppiamento fotoni-barioni, che le fluttuazioni in densità di quest’ultimi crescano fino a collassare. Invece con la vecchia cara materia oscura il processo può avvenire prima perché non bisogna attendere che questo avvenga.
Quello che osserviamo nell’universo è consistente con uno scenario in cui la materia oscura gioca da protagonista.
Ecco, in questo post abbiamo visto che senza materia oscura, per ora non possiamo stare. Non sappiamo cos’è, non sappiamo nulla. Sappiamo che si tratta di qualcosa che interagisce molto poco con le altre componenti dell’universo se non tramite gravità.
Insomma, la caccia è aperta da tempo e della materia oscura proprio non possiamo farne a meno.

P.S. Difficile trovare referenze su questo argomento che non includano formule. Se vi volete cimentare vi consiglio qualsiasi libro di cosmologia. Requisiti: calcolo differenziale, gravità newtoniana, idrodinamica e tanta pazienza. Comunque se avete domande, curiosità o suggerimenti scrivetemi via e-mail o scrivete sulla pagina Google+ o anche su Twitter (@quantizzando).

  • La cosmologia “occulta” della materia oscura e dell’energia oscura deve andare a casa, e alla svelta.

    Con un 95% e fischia di oggetti che non si vedono, l'Universo "ufficiale" ha infatti più a che fare con l’occultismo che con la razionalità.

    MA COME SI FA A DAR FIDUCIA AD UN AMMINISTRATORE CHE È IN GRADO DI RENDER CONTO DI MENO DEL 5% DEL PATRIMONIO AMMINISTRATO, SENZA CONSIDERARLO POCO COMPETENTE?

    Mah, chi lo sa.

    Ciao.

    Leo.

    http://rinabrundu.files.wordpress.com/2012/06/lavvocato-hubble-e-la-presunta-espansione-delluniverso.pdf

  • Ciao Leonardo, grazie per aver letto Quantizzando ed aver commentato.
    La materia e l'energia oscura non sono qualcosa di occulto. Si tratta di un modo di chiamare la nostra ignoranza riguardo le nostre conoscenze sull'universo. La storia della scienza è fatta così, piene di teorie che pian piano vanno incontro a nuove scoperte. Non esiste un universo ufficiale: in principio ognuno è libero di pensare quello che crede riguardo l'universo. Esiste piuttosto una precisa metodologia di lavoro chiamata metodo scientifico. In pratica una teoria deve essere supportata da dati sperimentali in accordo con la teoria.
    Per quanto riguarda la cosmologia, siamo di fronte ad un puzzle in cui diversi pezzi di teorie provenienti dall'astrofisica, dalla fisica delle particelle e dalla teoria della gravitazione si uniscono per tentare di capire come funziona l'universo, come funzionava e come funzionerà. Non è facile e in questo contesto ci si può tranquillamente permettere di essere ignoranti. Il lavoro dello scienziato, dopo tutto, è proprio quello dell'ignorante che cerca di capire e verificare le proprie risposte piuttosto che quello di chi ha già le risposte.
    Magari un giorno dovremo abbandonare sia la materia che l'energia oscura. Benissimo, nessun problema se si riesce a tirar fuori una teoria abbastanza convincente (dal punto di vista sperimentale) in grado di tenere conto di svariati fatti come (giusto per citarne qualcuno) l'omogeneità e l'isotropia dell'universo su grande scala, la presenza della radiazione cosmica di fondo e le fluttuazioni minuscole che si possono misurare in essa, l'effetto delle lenti gravitazionali, la curva di rotazione delle galassie a spirale, il rapporto massa su luminosità in alcune galassie nane sferoidali, l'abbondanza degli elementi chimici nell'universo, la formazione delle galassie e in generale delle strutture cosmiche.
    Ma tra l'altro, ripeto, non esiste la cosmologia ufficiale. Esiste solo un modello in grado di dare più spiegazioni degli altri. Ci sono tantissime persone che studiano modelli di gravità modificata non perché sono degli eretici ma semplicemente perché la comunità scientifica deve esplorare tutte le possibilità e tenere conto di tutti i fattori.
    Ho dato uno sguardo ai tuoi appunti ma devi perdonarmi se per mancanza di tempo ancora non ho letto tutto. Ho preferito risponderti subito per dirti tutto ciò e anche per dirti che se per qualsiasi ulteriore domanda anche più specifica puoi sempre scrivermi sia qui sul blog che via e-mail se magari la domanda è molto lunga.
    Ciao e grazie ancora.

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