Materia oscura, cosa sarà mai?
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Antonella Ravizza - 01/01/2016
La materia oscura è quella materia che non emette luce visibile, onde radio, raggi X, raggi gamma o altre radiazioni elettromagnetiche.
Anche se sembra strano, oggi si stima che la materia oscura costituisca una grandissima parte, quasi il 90%, della massa presente nell'Universo, cioè si ritiene che sia molto più abbondante della materia visibile. Nel 2001 Bruce H. Margon, astronomo all'Università di Washington disse a tal proposito:
«È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90% della materia dell'Universo».
Se non è visibile sorge spontanea una domanda: come ne conosciamo l’esistenza? Negli anni Trenta, durante gli studi di alcuni ammassi di galassie, l’astronomo svizzero F. Zwicky osservò che le velocità delle galassie erano di molto superiori a quelle previste dal conteggio delle sole masse visibili.
Egli pensò quindi che le galassie di ogni ammasso dovevano essere tenute insieme da effetti gravitazionali dovuti a materia invisibile, che chiamò inizialmente materia mancante, oggi conosciuta come materia oscura, cioè non osservabile per mezzo della luce emessa. Va fatto notare che le analisi astrofisiche che hanno portato a questi risultati presuppongono la validità della legge di gravitazione universale anche a grandi distanze, cioè la dipendenza della forza gravitazionale dalla distanza R secondo la forma 1/R2.
Le prove sperimentali dell'esistenza della materia oscura
Oggi ci sono prove sperimentali che dimostrano l’esistenza della materia oscura, prima di tutte è il moto delle stelle in una galassia. Le galassie a spirale, infatti, hanno un nucleo centrale molto denso di stelle e tutte le stelle della galassia ruotano attorno al centro con una propria velocità; a grandi distanze si considera la galassia come fosse formata da un’unica massa. Naturalmente, ci si aspetta che la velocità tangenziale di una stella decresca all’aumentare della distanza. Anche i pianeti del sistema solare si comportano così: i pianeti più vicini al sole sono più veloci di quelli lontani. Gli scienziati hanno osservato in modo approfondito la velocità tangenziale delle stelle in alcune galassie e a volte hanno ottenuto risultati inaspettati: hanno trovato un andamento crescente (e non decrescente) della velocità in funzione della distanza. La spiegazione più logica dell’elevata velocità delle stelle più esterne presuppone la presenza di materia non visibile sparsa nell’alone delle galassie, Via Lattea compresa (la nostra galassia).
Un’altra prova sperimentale che dimostra l’esistenza della materia oscura è il moto delle galassie nei grandi ammassi, cioè nei raggruppamenti di galassie. Considerando, infatti, solo la massa visibile, la forza gravitazionale generata non sarebbe sufficiente a evitare la fuga delle galassie dall’ammasso stesso; anche qui sembra indispensabile la presenza di un’ulteriore massa. In più la presenza di nubi di gas nelle parti più esterne delle galassie e nello spazio compreso fra galassie ci fa supporre l’esistenza di materia oscura, altrimenti le nubi di gas tenderebbero a disperdersi nello spazio. Ci si pone anche la domanda: potrebbero esistere galassie di sola materia oscura? Sembra, da recenti studi, che la materia gassosa visibile sotto forma di aloni si estenda molto oltre le galassie visibili. Il gas per essere osservato deve essere riscaldato. Da studi recenti è dimostrato che nelle galassie c’è un’enorme quantità di gas caldo (nube di gas) che emette una piccola quantità di raggi X. La presenza di questo gas fa pensare che esista una forte attrazione gravitazionale che lo tenga lì, mentre la massa delle galassie visibili non sarebbe sufficiente. Questo per arrivare alla conclusione che deve esserci materia oscura diffusa tra le galassie di un ammasso.
Nel 2008, grazie allo studio di ricercatori francesi e canadesi coordinati dall'Istituto di Astrofisica di Parigi, si ebbe la definitiva evidenza della presenza di materia oscura. Utilizzando il telescopio Canada-France-Hawaii Telescope (Cfht), posto sul monte Mauna Kea nelle Hawaii, gli studiosi osservarono migliaia di immagini per verificare la deviazione che la luce subiva nel suo viaggio cosmico, constatando che essa veniva deviata anche in punti dove non erano visibili masse. Fu grazie a queste osservazioni dei suoi effetti gravitazionali che, pur non visibile, si scoprì la materia oscura.
Cosa possiamo dire oggi sulla materia oscura? Di che cosa è fatta?
La materia oscura può essere classificata in barionica e non barionica. La materia oscura barionica è composta da materia simile a quella che costituisce le stelle, i pianeti, la polvere interstellare, con la sola differenza che non emette radiazioni.
La materia oscura non barionica è difficilmente rivelabile. Si ipotizza possa trattarsi di particelle supersimmetriche quali neutralini (neutrini massicci), o altre particelle mai osservate e soggette solo alla forza gravitazionale e all'interazione nucleare debole. Si pensa che almeno il 90% della materia oscura sia non barionica. La materia oscura viene classificata anche in materia oscura fredda, rappresentata essenzialmente dalle ipotetiche particelle "lente", e materia oscura calda, rappresentata dai neutrini, che sono particelle superveloci. D'altra parte i fisici astroparticellari cercano tali particelle nella radiazione cosmica, utilizzando sofisticati rivelatori dove tali particelle dovrebbero interagire.
Data la rarità di queste possibili interazioni occorre ridurre al minimo ogni tipo di fondo, quale quello legato ai raggi cosmici carichi, e alla radioattività ambientale. I rivelatori devono quindi essere localizzati in laboratori sotterranei. Gli scienziati pensano inoltre che accanto alla materia oscura esista una particolare forma di energia (nota come energia oscura), la quale, secondo il principio di equivalenza di Einstein (E = mc2), sia in grado di dar conto della maggior parte della massa dell’universo.
Riassumendo, come si può osservare la materia oscura? Grazie a un effetto noto come lente gravitazionale: la deflessione della radiazione emessa da una sorgente luminosa a causa della presenza di una massa posta tra la sorgente e l'osservatore.
Non tutti i fisici sono d’accordo sull’esistenza di materia oscura; secondo il fisico israeliano Mordehai Milgrom, per esempio, la materia oscura non esiste affatto: è la gravità che bisognerebbe riscrivere. Ai margini delle galassie, afferma, questa forza sarebbe più intensa di quanto ipotizzato dalle attuali teorie.
