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Perché la materia oscura deve esistere?

Perché la materia oscura deve esistere?

#Universo lunedì 27 gennaio 2020

Ultimo aggiornamento:2020-05-29T12:25:00Z

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Perché la materia oscura deve esistere?
Ecco i motivi per i quali i cosmologi hanno bisogno della "materia oscura". Proprio così, la realtà è che nonostante la si stia studiando da anni, ancora oggi non sappiamo cosa sia la materia oscura.
Sempre più spesso si sente parlare di materia oscura, spesso associandola a qualcosa con caratteristiche ben definite.
In realtà la materia oscura non è nient'altro che una pezza matematica. Il Modello Standard, cioè le teorie che usiamo oggi per descrivere l'universo, a partire dalla sua nascita fino a ciò che osserviamo oggi, non funziona come dovrebbe.
Vediamo assieme perché i cosmologi hanno bisogno di appellarsi ad un termine così stravagante per descrivere qualcosa che ancora non sono riusciti ne a vedere, ne a toccare.

Rotazione delle galassie


Il primo elemento che mette in crisi il modello standard è la rotazione delle galassie, in particolare quello delle galassie a spirale. Come la nostra per esempio.
Le leggi della gravità universalmente accettate, riassumendo molto brevemente, ci insegnano che quando un oggetto ruota attorno ad un centro di gravità, la sua velocità è tanto minore quanto la sua distanza dal centro gravitazionale. In proporzione alla propria massa e a quella dell'oggetto "attorno alla quale ruota".
Abbiamo parlato nei dettagli di questo argomento qui: come mai le orbite sono ellittiche

Questo è vero per quello che riguarda il rapporto Terra-Luna, Sole-Pianeti, Sole-Comete, ma non per quanto riguarda le stelle che ruotano attorno al centro delle galassie.
Ci aspetteremmo infatti che più ci allontaniamo dal centro di una galassie, per esempio andando verso le spirali, e più le stelle diminuiscano la loro velocità.
Invece non è così: Non solo mantengono la stessa velocità, ma in alcuni casi sono anche più veloci di quelle vicine al nucleo galattico.
Queste stelle, oltre ad essere troppo veloci per le forze gravitazionali prese in considerazione, non dovrebbero nemmeno rimanere all'interno delle galassie. Dovrebbero essere espulse, perché la massa dell'intera galassia non è sufficiente per tenerle legate a se stessa.

come si fa a calcolare la velocità delle stelle nelle galassie lontane?
Ora vi chiederete come facciamo ad essere sicuri di questa stranezza, visto che stiamo parlando di migliaia di punti luminosi che si trovano in galassie estremamente lontane e che non vengono nemmeno distinte dai telescopi.
Il metodo è semplice: si osserva la luce di queste galassie attraverso degli spettrografi, cioè dei telescopi che non guardano la luce bianca delle stelle ma il loro spettro, una cosa simile all'arcobaleno che vediamo quando la luce passa attraverso le goccioline nell'aria dopo un temporale.
Quando un oggetto astronomico si allontana da noi, il suo spettro tende al rosso, mentre quando si avvicina tende al blu.
Quindi, quando una galassia sta ruotando, la luce delle stelle sul lato della galassia che sta ruotando verso di noi si sposta verso il blu, mentre la luce delle stelle dall'altra parte della galassia, quella che si sta allontanando, viene spostata verso il rosso.
In questo modo possiamo dire quanto velocemente e in quale direzione le stelle stanno orbitando attorno al nucleo della propria galassia.

I valori raccolti vengono poi rappresentati su un grafico che mostra le velocità orbitali delle stelle rispetto alle loro distanze dal centro della galassia e si ottiene una "curva di rotazione".

Ora, osservando le curve di rotazione delle galassie ci si accorge che le velocità di rotazione non diminuiscono con la distanza come previsto.
Al contrario, le curve si livellano e le stelle lontane dal centro della galassia si muovono più velocemente di quanto ci aspettassimo.
L'unico modo per spiegare questo fenomeno, senza mettere in discussione le leggi della gravità, è aggiungere alle galassie una grande quantità di materia che non siamo in grado di vedere.
Ecco la necessità di una materia oscura che non riusciamo a vedere.

E' probabile che questa massa, che non riusciamo a cogliere, circondi la galassia e sia nell'alone galattico. Ma potrebbe anche essere nelle spirali, o nel nucleo. Non dimentichiamo per esempio che nel nucleo della nostra galassia non c'è solo un buco nero supermassiccio ma ci sono centinaia di altri buchi neri.
Oppure ancora potrebbe essere che semplicemente le equazioni del modello standard debbano essere riviste.
Abbiamo parlato delle centinaia di buchi neri in questo articoli: Centinaia di buchi neri nel cuore della Via Lattea!

Quello che è certo, è che se prendiamo tutta la materia luminosa che può essere vista in una galassia, come stelle, gas e polvere, e calcoliamo la curva di rotazione, la velocità delle stelle più esterne dovrebbe essere almeno 1/5 di quella osservata realmente.
E come se non bastasse, alla velocità in cui le osserviamo, dovrebbero essere letteralmente lanciate nello spazio intergalattico.
Questo ci fa pensare che la materia oscura che non riusciamo a misurare sia 6 volte quella che vediamo.

Movimento delle galassie all'interno degli ammassi


Un altro elemento che ci fa accorgere che nelle equazioni gravitazionali manca qualcosa, è la velocità con la quale le galassie si muovono all'interno degli ammassi galattici.
Anche questa velocità è troppo alta.
Se prendiamo un ammasso galattico e calcoliamo la massa totale delle galassie che contiene, questa non è sufficiente a spiegare la velocità elevata con la quale si spostano all'interno del gruppo.

Lenti gravitazionali


Anche le lenti gravitazionali fanno pensare che ci sia qualcosa che non quadra in ciò che vediamo.
Questo fenomeno è ampiamente previsto dalla teoria della relatività di Albert Einstein, e consiste nel fatto che il percorso della luce viene deviato quando questa passa vicino ad una grande massa che esercita una forte attrazione gravitazionale.
E' lo stesso fenomeno per la quale la luce di un buco nero, che ha una massa e una gravità enormi, non riesce a fuggire dall'orizzonte degli eventi.
Abbiamo parlato nel dettaglio dell'orizzonte degli eventi in questo approfondimento: Come sono fatti i buchi neri?


Big Bang


Per finire, anche le teorie sulla formazione dell'universo soffrono della carenza di materia.
Anche il Big Bang, il modello attraverso la quale rappresentiamo la nascita e lo sviluppo dell'universo, non può stare in piedi solamente con la materia che osserviamo e pesiamo nell'universo.
La teoria del Big Bang ormai è universalmente accettato da tutti i cosmologi, e spiega come l'universo ebbe inizio da una esplosione.
Per farla molto breve, dopo questa esplosione da un punto infinitamente piccolo e caldo, le particelle subatomiche che costituiscono la materia hanno iniziato a raffreddarsi e a raggrupparsi formando gli atomi di idrogeno.
Questi atomi si sono poi addensati formando enormi nubi di gas e polvere da cui nacquero le prime stelle e le galassie.
Per rendere possibile quest'ultima fase, nel cosmo primordiale devono esserci state delle piccole irregolarità nella distribuzione della materia, tale per cui in alcune zone la gravità ha iniziato a prevalere dando il via alla formazione stellare e al raggruppamento in galassie.
Quindi secondo questo modello le galassie si sono formate da ciuffi di materia più densi all'interno di un panorama di gas non omogeneo.
Tutto ciò sembra naturale, ma se andiamo a calcolare la forza di gravità presente nelle epoche lontane quando l'universo era una distribuzione non uniforme di gas, ci accorgiamo che non era assolutamente sufficiente a portare l'universo nello stato in cui lo vediamo oggi.
Quindi anche questa evoluzione è stata possibile grazie a della massa che non riusciamo a rappresentare: anche qui c'è lo spettro della materia oscura.

cos'è la materia oscura?


Questa domanda sorge spontanea non solo a voi ma anche ai cosmologi.
Dove si trova tutta questa massa che non siamo in grado di vedere?
La risposta più umile e corretta che un cosmologo possa darvi è: non lo sappiamo.
Però ovviamente abbiamo delle idee, alcune delle quali molto esotiche e stravaganti, altre invece più pratiche e semplici.

Le WIMP


La teoria più fantasiosa, ma anche quella alla quale gli astronomi stanno rivolgendo la maggior parte degli sforzi, attribuisce la massa mancante a particelle sub atomiche che non siamo ancora riusciti a vedere: le WIMP, .
Secondo i fisici queste particelle avrebbero una massa, ma misteriosamente non interagirebbero con il resto della materia conosciuta. Quindi non interagirebbero neanche con i nostri rilevatori, e questo sarebbe il motivo per la quale non le abbiamo ancora rilevate.
Inutile dire che se esistessero, per rappresentare 6 volte la materia ordinaria, dovrebbero anche essere davvero tantissime ed avere una densità altrettanto importante. In alternativa devono esercitare un forte effetto gravitazionale per un motivo a noi ancora sconosciuto.

I MACHO

C'é invece una parte di comunità scientifica che cerca la massa mancante nell'alone galattico, e in oggetti meno misteriori.
Abbiamo parlato dell'alone galattico in questo articolo: Morfologia della Via Lattea

Secondo questo modello, proprio attorno alle galassie ci sarebbe quella parte di materia che non vediamo.
E non si tratterebbe di strana materia esotica dalle proprietà stravaganti, ma semplicemente di corpi celesti più o meno massivi che non emettono luce o ne emettono pochissima.
Stiamo parlando di buchi neri, stelle di neutroni e nane bianche o brune. Oggetti molto antichi e che possono essere stati spinti fuori dalle spirali e dal piano galattico verso l'alone.
La forza di questa visione sta proprio nel fatto che la massa mancante sarebbe in composta da oggetti che conosciamo, e che in un modo o nell'altro abbiamo già osservato in altri contesti.
Questi oggetti vengono catalogati come MACHO: Massive Astrophysical Compact Halo Objects, Oggetti astrofisici massivi e compatti nell'alone.
Come per le wimp, anche la natura e l'origine dei MACHO sono attualmente oggetto di studi e dibattiti.
La loro massa e la loro distribuzione sono state misurate dai loro effetti gravitazionali: un MACHO medio dovrebbe avere circa la metà della massa del Sole.
Le osservazioni fatte fino ad oggi arrivano a stimare una massa nascosta nei MACHO pari a circa il 15% della massa mancante.

Errore di misurazione


E' anche possibile che tutta la massa necessaria a tenere in piedi l'universo sia proprio sotto i nostri occhi e si trovi semplicemente in ciò che vediamo in tutte le frequenze elettromagnetiche a nostra disposizione: luce, infrarossi, ultravioletti, onde radio. Ma che semplicemente stiamo sbagliando a stimarne la massa e la quantità.
Non dimentichiamo infatti che non sappiamo né realmente, né precisamente, quanta massa possa esserci in un buco nero, o in una stella di neutroni, o in una nebulosa come quelle nella cintura di Orione: ne azzardiamo una stima in base alle nostre conoscenze ma potremmo sbagliare, anche nella misura di 6 volte a 1.

Errore nel modello


Anche un errore nel modello evolutivo dell'universo potrebbe essere sufficiente a spiegare perché esso non si comporti come ci aspettiamo.
Esiste un'alternativa alla materia oscura? Ne deduciamo la sua presenza usando la gravità, ma cosa succede se la nostra comprensione della gravità non è del tutto corretta?
I cosmologi lavorano costantemente al modello standard nel tentativo di trovare dove possa esserci un errore, non nelle osservazioni, non nelle misurazioni, ma semplicemente nella nostra comprensione e nei calcoli. Nel modo in cui noi abbiamo immaginato la nascita, l'evoluzione e il funzionamento dell'universo. Nel modo in cui interpretiamo la gravità e la massa.

Pur essendo molto diversi tra loro, questi elementi e queste teorie non si escludono l'uno con l'altro. Tutte potrebbero essere errate tanto quanto potrebbero assieme portare alla risoluzione dell'enigma della massa mancante.
Ma intanto, mentre guardate un bel cielo stellato, siate certi che qualcosa ancora non torna in quello che vedete e nel come l'uomo cerca di spiegarlo!
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