Il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang; infatti, non si sa altrimenti spiegare come si siano potute formare le galassie e gli ammassi di galassie in un tempo così breve come quello osservato. Non si spiega inoltre come le galassie, oltre a formarsi, si mantengano integre anche se la materia visibile, composta da barioni, non può sviluppare abbastanza gravità per tale scopo. Anche da questa prospettiva il concetto di materia oscura ha 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, dato che non si ha alcuna evidenza sperimentale se non le violazioni di un modello matematico.
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 per cento [della materia] dell'Universo. »
Le più recenti misure indicano che la materia oscura costituisce circa il 23% dell'energia dell'Universo e circa l'85% della massa.
Venne inizialmente indicata come "massa mancante", anche se effettivamente esiste materia, in quanto sono osservabili 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.
Una 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. 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 tutte le parti visibili.
Lente gravitazionale in un gruppo di galassie. Il 21 agosto 2006 la NASA ha rilasciato un comunicato stampa secondo cui 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.
Ipotesi sulla materia oscura.
In letteratura sono comparse numerose teorie per spiegare la massa mancante legate a diversi fenomeni.
La massa oscura è divisa 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;
la materia oscura non barionica è composta da materia intrinsecamente diversa e non ancora scoperta. Si ipotizza che 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. Questo materiale è detto WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), particelle di grande massa unitaria debolmente interagenti con la materia barionica, e quindi difficilmente rivelabili. 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.
Si pensa attualmente che almeno il 90% della materia oscura sia non barionica. Infatti l'abbondanza cosmica del deuterio, che è di un atomo di deuterio per ogni 100.000 di idrogeno, è estremamente sensibile alla densità della materia sotto forma di barioni. Una densità barionica maggiore avrebbe per conseguenza un'abbondanza di deuterio molto più bassa. Invece l'abbondanza osservata del deuterio è compatibile con la densità della materia osservabile.
La scoperta che il neutrino ha massa, seppur estremamente bassa, 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 e uscendo da esse.
Altri possibili costituenti della materia oscura sono stati indicati nei MACHO (Massive Compact Halo Objects), oggetti compatti di grande massa dell'alone galattico, nei buchi neri primordiali, nelle stelle solitoniche, nelle stelle di bosoni e nelle pepite di quark.
E veniamo all’interrogativo del POST precedente sul fatto “se Newton si fosse sbagliato o meno”. Un mio amico fisico ha una sua teoria in merito, che ha un certo fascino.
Sappiamo, dal POST precedente, che quando un corpo è libero di fluttuare nello spazio tempo NON RISENTE DELLA GRAVITA’, ma è soggetto solo alla curvatura dello spazio; mentre se ne viene impedita la libera fluttuazione (come nel caso che sia posto sulla superficie terrestre) la gravità ricompare. Ora se è vero che ove si trova materia visibile deve essere presente anche grande quantità di materia oscura, e che probabilmente la materia oscura è fatta in gran parte 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, possiamo immaginare che:
LA MATERIA OSCURA SIA COME UNA specie di gas di particelle subatomiche CHE FLUTTUA NELLO SPAZIO-TEMPO INSIEME A TUTTI GLI ALTRI CORPI LIBERI DI FARLO.
In questo caso la sua grande massa annullerebbe gli effetti della forza di gravità di Newton, e un astronauta nello spazio non ne subirebbe gli effetti, perché libero di fluttuare insieme a questo specie di gas in cui è immerso. Viceversa se un uomo o un oggetto è vincolato nei suoi movimenti (come ad esempio sulla superficie terrestre), non godrebbe di un effetto significativo della materia oscura e sarebbe preponderante la forza di gravità.
Secondo questa teoria, NEWTON non si era sbagliato, ma le sue leggi si posso applicare solo dove non influisce in modo determinante la materia oscura, libera di fluttuare nello spazio tempo.
Ovviamente la teoria del mio amico non rientrerebbe nella M TEORIA delle superstringhe, che in ogni caso, è ancora tutta da dimostrare; anche se è quella più probabile al giorno d’oggi.
Un caro saluto
Alessandra
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