Materia oscura

La materia oscura

Il modo in cui si sono formate le strutture su larga scala dell'Universo dipende dal campo gravitazio­nale esistente, cioè dalla quantità totale di materia presente. Sembra che una componente particolare della materia abbia guidato, più delle altre, questo processo di addensamento: la cosiddetta "materia oscura", che secondo le moderne teorie domina l'Uni­verso. Negli ultimi decenni, gli astronomi hanno raccolto svariate prove dell'esistenza di un tipo di materia invisibile che lega galassie e ammassi di galassie per mezzo della sua attrazione gravitazionale, ma la cui natura resta tuttora ignota.  La sua presenza è ri­velata da alcune evidenze indirette:

1. la rotazione delle galassie a spirale. Le galassie a spirale sono dotate di una rota­zione differen­ziale, nel senso che non sono in rotazione rigida attorno all'asse centrale, ma ogni stella ruota attorno a questo asse con velocità variabile con la sua distanza dal centro. Ora, la velocità di rotazione di­pende dal campo gravitazionale a cui essa è sog­getta, quindi alla distribuzione di materia nella galassia stessa. Si nota che le velocità di rotazione nelle galassie a spirale aumentano con la distanza dall'asse di rotazione, come se una gran parte della materia in esse contenuta fosse distribuita nelle  regioni esterne. In realtà, la massa luminosa delle galassie (cioè le stelle e il gas) è concentrata verso il nucleo e la sua densità decresce verso l'esterno.

Se ne deduce che queste galassie devono essere circondate da un grande alone di mate­ria invisibile, che contribuisce al campo gravitazionale delle stesse ma non alla loro emissione luminosa: la materia oscura.

1. la distribuzione di velocità negli ammassi di galassie.  In un gruppo di galassie agi­scono due forze contrapposte: la forza gravitazionale dell'insieme, che tende a tenere unito l'ammasso, e la spinta gravitazionale di una galassia sulle altre, che tende invece ad aumentarne la velocità relativa e a di­sperdere l'ammasso.  A partire da una stima della massa totale delle galassie di un ammasso, è pos­sibile calcolare all'incirca la velocità massima che esse possono avere al suo interno perché esso resti stabile. Si è notato però che in molti ammassi le galassie hanno velocità molto superiori a questo limi­te, anche di cento volte superiore, pur es­sendo legate in una configurazione stabile. Questo signi­fica che il campo gravita­zionale che le lega è molto intenso, ma non è dovuto alla materia os­servabile. L'ammasso de­ve essere quindi tenuto in­sieme da un tipo di materia molto abbondante ma non visibile.
2. le lenti gravitazionali : sono agglomerati di materia il cui campo gravitazionale è così intenso da causa­re una deviazione nel percorso dei raggi di luce che vi passano vicini, così come una lente de­via i raggi di luce convogliandoli in un punto focale. Il risultato è che, se una di queste "lenti" (tipi­camente una galassia molto massiccia o un ammasso di galassie) è interposto tra noi ed una sorgente di luce lontana (una galassia o un quasar), produce più immagini della stessa.

Questi fenomeni, insieme alle previsioni della teoria del Big Bang, fanno ritenere che la materia oscura costituisca all'in­circa il 90 % della materia complessivamente presente nell'Universo, e pertanto la stragrande maggioranza di quest'ul­tima sfugga alle nostre osservazioni.

Ma da che cosa è costituita la materia oscura? Dato che di essa possiamo ottenere solo informazioni indirette, la sua natura resta an­cora incerta. Potrebbe trattarsi di materia ordinaria, cioè la stessa di cui sono fatte stelle e pianeti, ma non nelle condizioni di emettere radiazione. Per esempio, potrebbe essere composta di pianeti o di "nane brune", cioè troppo poco massicce per produrre energia con la fusione nucleare. Tuttavia, si pensa che il numero di questi oggetti sia molto più basso di quello necessario per poter spiegare gli effetti osservati e che fanno pensare all’esistenza della materia oscura. Un'altra ipotesi, più plausibile, è che si tratti di materia "esotica" o “non barionica”, cioè diversa dai co­muni protoni, neutroni ed elettroni.  Per esempio, potrebbe trattarsi di neutrini massivi (cioè dotati di massa). Oggi si ritiene infatti che i neu­trini siano particelle prive di massa, ma alcuni recenti espe­rimenti fanno pensare che siano dotati di una massa, anche se piccolissima (1/5.000 della massa di un elettrone). Dato che i neutrini sono comunis­simi e permeano l'Universo come la radiazione, basterebbero da soli per rendere conto di parte degli effetti osser­vati della materia oscura. Un altro tipo di materia oscura possibile è costituita da particelle ancora più "strane" e ancora scono­sciute, la cui esi­stenza è prevista dalla fisica teorica ma non è ancora stata dimostrata.  Si tratta delle cosiddette WIMPs "weakly interacting massive particles”, cioè “particelle massive debolmente interagenti": gli assioni, i fotini, i gravitini, gli squark, ....

Di qualunque cosa sia composta, la materia oscura domina l'Universo, ne rappresenta la sorgente principale della forza gravitazionale ed è responsabile in larga parte della sua struttura. Si può dire quindi che non sappiamo ancora di che cosa è fatto la mag­gior parte del nostro Universo!