C’è materia oscura nel Sistema Solare?

Se potessimo avere una specialissima fotocamera e fare una foto di gruppo delle varie componenti dell’universo, quello che vedremmo sarebbe una felicissima e straripante energia oscura che gratta la testa della materia oscura. La materia ordinaria, quella di cui siamo fatti tutti noi, i pianeti e le stelle, sarebbe ranicchiata in un angolo mogia mogia, anche se luminosa più degli altri personaggi nella foto di gruppo.
Naturalmente, se traduciamo tutto ciò detto qui sopra in termini di esperimenti e di scienza, allora di specialissime fotocamere ne abbiamo più di una. Possiamo capire cosa c’è nell’universo studiando la radiazione cosmica di fondo (che, di per sè, è una gran bella foto dell’universo primordiale), poi misurando le distanze o anche andando a vedere le distorsioni delle immagini delle galassie lontane (il lensing gravitazionale, insomma).

Comunque la mettiamo il discorso è sempre lo stesso: la materia ordinaria (detta anche barionica) rappresenta solo il circa 5% di ciò che c’è nell’universo. Il 27% è materia oscura (boh!) e il resto è energia oscura (di nuovo boh, anzi un boh più grosso stavolta).
Ora, l’energia oscura lasciamola perdere. Cioè, non ne sappiamo niente, sappiamo solo che l’universo accelera la sua espansione e che questo può essere ricondotto alla presenza di una componente particolare che gli scienziati chiamano energia oscura. Un rompicapo pazzesco. Se volete farvi un’idea sull’argomento, allora dovete guardate questo breve video.
Occupiamoci invece della materia oscura.

Ammasso di galassie Abell 1689. In viola la distribuzione di materia oscura ricavata da osservazioni di lensing gravitazionale [Crediti: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) & J-P. Kneib (LAM)]

Beh, tanto per essere chiari: non sappiamo una cippa neanche della materia oscura. Abbiamo qualche indicazione riguardo cosa non può essere e, soprattutto, sappiamo che ci deve essere per tutta una serie di motivi che ho già spiegato in questo video qui.
Per esempio, sappiamo che la nostra galassia deve essere piena di materia oscura, e sappiamo che la materia oscura interagisce con la materia barionica solo tramite gravità. Per questo, infatti, la materia oscura si chiama così: è invisibile e non emette alcuna luce.
Una domanda molto, ma molto intelligente sarebbe: ma se la Via Lattea è piena di materia oscura, allora pure il Sistema Solare dovrebbe esserne pieno? Non solo, magari va pure a finire che, durante il suo moto nella Via Lattea, il Sistema Solare ne agganci una certa quantità man mano che orbita attorno al centro della Galassia.
Comunque, oggi parleremo proprio di questo argomento, la materia oscura nel Sistema Solare.

Se la materia oscura agisce tramite interazione gravitazionale con la materia barionica, allora la presenza di materia oscura nel Sistema Solare deve influenzare il moto di pianeti, satelliti e chi più ne ha più ne metta. Questo effetto aggiuntivo, ovviamente, dipenderà dalla densità di materia oscura: più materia oscura abbiamo nel Sistema Solare, maggiore sarà l’effetto sul moto dei pianeti e dei satelliti. Quindi, in parole povere: c’è una massa in più, la materia oscura, e il moto dei pianeti, che è dovuto alla gravità cambia, in quanto la gravità dipende dalla massa del sistema in gioco.
Semplice. Lineare.

E ora andiamo alle complicazioni. Per esempio, il Sole perde massa tutti i giorni. No, non è dovuto al suo fare “jogging” orbitando attorno al centro della Galassia (si scherza, eh); la ragione è dovuta al cosiddetto vento solare, ovvero il continuo flusso di particelle che abbandona il Sole perché sparate nello spazio a velocità pazzesche, qualche centinaio di km/s minimo. Cosa voglio dire? Voglio dire che anche il vento solare permea il Sistema Solare. E il vento solare ha una sua massa, essendo fatto di particelle di materia ordinaria. Sorge spontaneo chiedersi: questo vento solare ha più o meno massa dell’eventuale materia oscura che c’è nel Sistema Solare? Ne ha meno, molta meno. Praticamente è l’effetto gravitazionale del vento solare è trascurabile. Possiamo dunque concentrarci sulla materia oscura.

A questo punto il problema diventa scientifico nel vero senso della parola: ovvero capire tramite un esperimento quando le nostre misure siano sensibili ad una certa componente.
Questa è la scienza.
Per quanto detto finora, la domanda che fa da titolo a questo post va leggermente modificata e dovrebbe essere: c’è abbastanza materia oscura nel Sistema Solare tale da poter essere osservata?
Ecco, ora ha tutto più senso.

E la risposta, qual è? La risposta è: purtroppo no. Ovvero, possiamo fare tutti i conti che vogliamo ma la materia oscura che ci aspettiamo di avere nel nostro Sistema Solare è davvero troppo poca per poter essere osservata.
Quando dico “tutti i conti che vogliamo” intendo i conti fatti in questo articolo scientifico. Gli autori hanno raccolto una vagonata di dati che hanno trovato in giro riguardo il moto di pianeti e satelliti e hanno cominciato a porre dei limiti su quale potrebbe essere un eventuale valore per la densità di materia oscura nel Sistema Solare, tale da modificare i parametri orbitali proprio di pianeti e satelliti. E niente, è venuto fuori che, appunto, al momento non ce la possiamo proprio fare ad osservare la materia oscura nel Sistema Solare. Sempre per essere chiari, quando dico che “non ce la possiamo fare” intendo che gli errori sperimentali associati a tale misura sono più grandi del valore stesso che vogliamo misurare.

Questo è il verdetto della scienza, per ora. Però no, dai su, ora non fate così, non mettetevi a piangere o a strapparvi i capelli. Siamo esseri umani, abbiamo i nostri limiti. Per dire di aver fatto una scoperta del genere bisogna avere un ottimo controllo su tutti i possibili errori e inoltre anche avere una sensibilità straordinaria delle misure che andiamo a fare. Un giorno magari ce la faremo e saremo tutti contenti. Inoltre riuscire a misurare la densità di una componente inafferabile come la materia oscura nel Sistema Solare, cioè praticamente nel giardinetto di casa nostra, sarebbe davvero molto utile per provare a capire meglio cosa sia questa materia oscura.


Referenze
Constraints on Dark Matter in the Solar System: http://arxiv.org/abs/1306.5534
Dark Matter in the Solar System: http://arxiv.org/abs/0806.3767

  • Donato Colangelo

    Sarebbe del tutto sbagliato a questo punto dire che la materia oscura è presente a livelli inferiori rispetto ai limiti di rilevazione della strumentazione che usiamo attualmente?
    Da tecnologo alimentare sono abituato a parlare in termini relativi di quale contaminante c’è e quale non c’è all’interno di un alimento. Però la mia capacità di giudizio è legata alla tecnica e allo strumento usato. Pertanto si arriva a dire che la fumonisina non è presente in quantità “detectabili” all’interno di una partita di mais (solitamente si va fino ai ppb per questi contaminanti biologici). Possiamo dire la stessa cosa della materia oscura in questo caso?

    In più, un’altra domanda che spero abbia un senso. Se non ho capito male – e correggimi se sbaglio – si parte dal presupposto che la materia oscura sia distribuita uniformemente, in questo caso nella nostra galassia. E’ così? La domanda mi è sorta leggendo il tuo commento al confronto tra la massa del vento solare e quella della materia oscura che ci si aspetta essere presente nel Sistema Solare. Chiedo questo perché non ho la più pallida idea di come si distribuisca la materia oscura nello spaziotempo: guardando alla disomogeneità dell’universo oserei dire che la materia oscura segua lo stesso principio, ovvero si distribuisca in modo non uniforme e sulla spinta delle forze gravitazionali. Forze gravitazionali che potrebbero portarla a localizzarsi in presenza di ammassi importanti, come appunto regioni dello spazio piene a tappo di stelle e buchi neri. Se questo pappone in cui mi sono lanciato ha una sua logica, allora mi aspetterei di trovare maggiore quantità di materia oscura verso le regioni centrali della nostra galassia, invece che in prossimità dei suoi bracci esterni.

    Ok, torno nell’angolino, in attesa della doccia fredda che accompagnerà il tuo commento.

    • Allora. La prima risposta è sì. La seconda è più complicata. In generale la distribuzione di materia oscura non è omogenea. In passato, tanti miliardi di anni fa, piccole disomogeneità si sono create (durante l’epoca dell’inflazione). Queste disomogeneità si sono poi evolute, nel senso che sono diventate pian piano disomogeneità più grandi: questo è successo perché quando la distribuzione di materia oscura non è omogenea, la gravità fa il suo corso e cominciano a crearsi strutture, cioè le galassie che vediamo oggi.
      Spero di averti risposto, ma fammi sapere.

      • Donato Colangelo

        Ok, quindi non vi è una distribuzione omogenea della materia oscura. Mi chiedevo se è stata… come dire “mappata” alla meno peggio la distribuzione della materia oscura partendo dalle evidenze indirette (velocità delle stelle e delle galassie) e se ci fossero delle regole generali per dire “ok, sappiamo che la materia oscura si distribuisce grossomodo in modo similare alla materia che possiamo vedere” oppure se sia una distribuzione che oggi ci sembra casuale (e ripeto, oggi).
        Il fatto stesso che influenzi la materia visibile solo tramite la gravità mi fa volare con la fantasia e pensare che forse, se esistono, quella materia possa essere rilegata a dimensioni extra. Troppi film di fantascienza, lo so.

        Comunque sia, grazie mille per la risposta.

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