Misteri dell'Universo: La materia oscura.

In questo articolo sveleremo uno dei più grandi misteri dell'Universo: la Materia Oscura. Neanche gli astronomi ci capiscono più di tanto ma, ora, noi tenteremo di svelare i suoi enormi segreti. Fortunatamente, recentemente, si è fatto qualche progresso e siamo consapevoli della sua importanza e del suo legame con un altro misterioso...qualcosa: l'Energia oscura. Sappiamo solo che sono le ossa e i muscoli che tengono insieme lo Spazio...se volete conoscerne i segreti, seguiteci su Eagle sera!


La materia oscura e l'energia oscura: dov'è la differenza?!



Materia Oscura

Parte delle Mappa 3D della materia oscura

In cosmologia con materia oscura si definisce un'ipotetica componente di materia che, diversamente dalla materia conosciuta, non emetterebbe radiazione elettromagnetica e sarebbe attualmente rilevabile solo in modo indiretto attraverso i suoi effetti gravitazionali. L'ipotesi nasce per giustificare diverse osservazioni sperimentali in base alle quali, secondo le leggi della gravitazione, la materia oscura dovrebbe costituire quasi il 90% della massa presente nell'universo. Nonostante dettagliate mappe che coprono lo spettro delle emissioni elettromagnetiche nell'Universo vicino dalle onde radio ai raggi gamma, si è riusciti a individuare solo circa il 10% della massa che risulterebbe dagli effetti gravitazionali osservabili. L'astronomo dell'Università di Washington Bruce H. Margon ha dichiarato nel 2001 al New York Times:

«È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90% [della materia] dell'Universo.»


Le più recenti misure indicano che la materia oscura costituirebbe circa l'86% della massa dell'universo e circa il 27% della sua energia. 

Inizialmente veniva indicata come "massa mancante", termine che può essere fuorviante dal momento che ne apparirebbero osservabili gli effetti gravitazionali; però gli strumenti di analisi spettroscopica non rilevano la radiazione elettromagnetica di questa materia, dal che l'aggettivo "oscura" poiché a mancare sarebbe solo la sua "luce". Il concetto di materia oscura ha senso all'interno dell'attuale modello standard della cosmologia basato sul Big Bang per due ragioni fondamentali: non si potrebbe altrimenti spiegare la formazione di galassie e ammassi di galassie nel tempo calcolato dall'evento iniziale del Big Bang stesso. In secondo luogo, in uno scenario cosmologico come l'attuale, che prevede come unica forza cosmologica la gravità, non si spiegherebbe come le galassie si possano mantenere integre, dato che la materia visibile, composta da barioni, non è in grado di sviluppare una sufficiente attrazione gravitazionale. Invece, se il modello dovesse risultare errato, si potrebbe non avere necessità dell'ipotesi della materia oscura, giacché essa deriva solo dalla violazione di un modello matematico e non da alcuna dimostrazione sperimentale certa. Un'importante prova osservativa della necessità della materia oscura è fornita dalle curve di rotazione delle galassie a spirale. Queste galassie contengono una vasta popolazione di stelle poste su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Come accade per le orbite planetarie, in base alla seconda legge di Keplero le stelle con orbite galattiche più grandi dovrebbero avere velocità orbitali minori, ma tale legge è applicabile soltanto a stelle vicine alla periferia di una galassia a 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 seconda 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 l'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 massa di cui non si tiene conto quando si calcola tutta quella visibile. Un'altra possibile prova dell'esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali. 

Esempio di Lente Gravitazionale

La massa visibile risulta insufficiente per creare una lente gravitazionale, per cui si prefigura la presenza di massicce quantità di materia oscura, ottenendo una massa totale in grado di deviare il percorso della luce. Nel 2008, grazie allo studio di diversi ricercatori tra cui francesi e canadesi coordinati dall'Istituto di Astrofisica di Parigi, si ebbe un ulteriore importante indizio 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 e constatarono che essa veniva deviata anche in punti dove non erano visibili masse. Le osservazioni di questi effetti gravitazionali costituiscono uno dei maggiori indizi dell'esistenza di materia oscura. Il 21 agosto 2006 la NASA ha rilasciato un comunicato stampa secondo cui il telescopio spaziale Chandra avrebbe trovato prove dirette dell'esistenza della materia oscura nello scontro tra due ammassi di galassie.[4] 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. Il 3 aprile 2013 gli scienziati della NASA hanno riferito che i primi risultati dell'esperimento Alpha Magnetic Spectrometer sulla Stazione Spaziale Internazionale evidenziano un eccesso di positroni ad alta energia nei raggi cosmici, di cui una delle cause potrebbe essere la presenza di materia oscura. In letteratura sono comparse numerose teorie per spiegare la natura della cosiddetta "massa mancante", legate a diversi fenomeni. La materia oscura sarebbe localizzata nel "nero" che circonda le stelle e viene distinta fondamentalmente 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. Altri possibili costituenti della materia oscura barionica sono stati indicati nei MACHO (Massive Compact Halo Objects), oggetti compatti di grande massa dell'alone galattico.
  • La materia oscura non barionica è rappresentata principalmente dalle ipotetiche particelle WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), dotate di grande massa unitaria, composte da materia intrinsecamente diversa dalla abituale barionica e debolmente interagente con essa, e quindi difficilmente rilevabili. Si ipotizza 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. Tre tipi di esperimenti cercano di rivelare queste particelle: I) la loro produzione in acceleratori di particelle, II) l'osservazione dell'energia che dovrebbero rilasciare quando urtano con la materia ordinaria, III) le annichilazioni fra particelle di materia oscura presenti attorno al centro della galassia o del sole potrebbero dare particelle normali, quali neutrini, positroni, anti-protoni. Inoltre la scoperta che il neutrino ha massa, seppur estremamente bassa, lo rende candidato a rappresentare almeno una quota della materia oscura e potrebbe in parte spiegare l'eccesso di massa degli ammassi e superammassi di galassie, ma non quello delle singole galassie, poiché esso si muove a velocità prossima a quella della luce, sfuggendo prima o poi all'attrazione gravitazionale ed uscendo da esse.

Ulteriori ipotesi riguardano i buchi neri primordiali, le stelle brune, le stelle solitoniche, le stelle di bosoni, le pepite di quark. Si pensa che almeno il 90% della materia oscura sia non barionica. Infatti, essendo l'abbondanza cosmica del deuterio (un atomo di deuterio per ogni 100 000 di idrogeno) estremamente sensibile alla densità della materia sotto forma di barioni, una densità barionica maggiore avrebbe per conseguenza una presenza di deuterio molto più bassa. Al contrario, l'abbondanza di deuterio osservata è compatibile con la densità della materia rilevabile. Viene fatta una distinzione anche in Materia oscura fredda, rappresentata essenzialmente dalle ipotetiche particelle "lente" WIMP, e Materia oscura calda, rappresentata dai neutrini che sono particelle superveloci. Nella teoria delle stringhe, in particolare nelle varianti del mondo-brana e dell'universo ecpirotico, la materia oscura non è altro che la forza di gravità della materia ordinaria di un'altra brana, vicina ma invisibile, costituita da stringhe.

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Energia oscura

L'energia oscura è una ipotetica forma di energia non direttamente rilevabile diffusa omogeneamente nello spazio, che potrebbe giustificare, tramite una grande pressione negativa, l'espansione accelerata dell'universo e altre evidenze sperimentali. Si stima che debba rappresentare una gran parte, circa il 68%, della massa energia dell'universo, la cui quota che sfuggirebbe agli attuali metodi di rilevazione salirebbe a circa il 95% comprendendo anche la materia oscura. Le due principali forme ipotizzate di energia oscura sono la costante cosmologica e la quintessenza. La costante cosmologica sarebbe una densità d'energia costante che riempie omogeneamente lo spazio e fisicamente equivalente all'energia del vuoto. La sua aggiunta alla teoria di base della cosmologiaha portato all'adozione del Modello Lambda-CDM, in accordo con le osservazioni e considerato l'attuale modello standard della cosmologia. La quintessenza sarebbe un campo dinamico la cui densità d'energia varia nello spazio e nel tempo. La prevalenza fra le due possibilità richiede misure accurate dell'espansione dell'universo per comprendere come la velocità d'espansione cambi nel tempo. Il coefficiente d'espansione è parametrizzato dall'equazione di stato, il cui calcolo è uno degli sforzi più grandi della cosmologia d'osservazione. Pur essendo l'energia oscura la spiegazione più diffusa fra i cosmologi per spiegare l'espansione accelerata dell'universo, alcuni modelli di gravità quantistica, tra cui la gravitazione quantistica a loop, possono spiegare le proprietà cosmologiche senza avvalersi di tale ipotesi. Il termine "energia oscura" fu coniato dal cosmologo Michael Turner. Albert Einstein, vissuto in un'epoca dominata dall'idea di un universo stazionario, per contrastare gli effetti della "nuova" gravità da lui stesso delineata, che portava a un universo dinamico (o in contrazione o in espansione), soprattutto per evitare l'idea di un collasso gravitazionale inserì nelle equazioni di campo della relatività generale la famosa costante cosmologica, simile qualitativamente a una forza antigravitazionale su larga scala. Quando nel 1929 Edwin Hubble scoprì che l'universo era in espansione Einstein ritrattò la sua idea, definendola "il mio più grande errore".  

Se sei molto curioso ti potrebbe interessare la posizione della città natale di Einstein.

Con lo sviluppo della teoria quantistica della materia tra gli anni venti e trenta del Novecento, si evidenziò che anche il vuoto possiede una sua ben definita energia, determinata dalle coppie di particelle e antiparticelle che si formano e si annichilano continuamente. Nel 1967 fu rilevato l'effetto Sachs-Wolfe, consistente in uno spostamento verso il blu della radiazione cosmica di fondo quando attraversa i forti campi gravitazionali generati da grandi ammassi di materia; tale guadagno di energia sarebbe un segno diretto dell'esistenza di un'energia oscura. 

California Tecnology Institute, dove alcuni studi cosmologici hanno avvalorato la teoria dell'Energia Oscura.

Quando negli anni novanta fu accertata l'accelerazione dell'espansione dell'universo (l'annuncio che i dati confermavano un universo in accelerazione fu dato da Saul Perlmutter del Berkeley Lab l'8 gennaio 1998; il lavoro ottenne il Premio Nobel per la fisica nel 2011), l'ipotesi dell'energia oscura si rafforzò per giustificare l'esistenza di una forza antigravitazionale presente in tutto l'universo, che spiegherebbe l'espansione accelerata e che potrebbe essere rappresentata dall'energia del vuoto prevista dalla meccanica quantistica. L'errore di Einstein veniva così in qualche modo ridimensionato: una forma di energia non rilevabile permeerebbe effettivamente lo spazio, ma il suo ipotetico effetto antigravitazionale, anziché rendere l'universo stazionario, ne accelererebbe l'espansione. Come risultato collaterale dell'espansione accelerata l'età dell'universo risulta superiore a quanto stimato in precedenza sulla base di una velocità di espansione costante. 

Nel 2004 Christian Beck della Queen Mary University di Londra e Michael Mackey della McGill University di Montreal svilupparono una teoria che legava le fluttuazioni del vuoto all'energia oscura e ipotizzarono la misurazione sperimentale dell'energia oscura tramite la giunzione Josephson. La teoria della nucleosintesi primordiale tenta di spiegare la formazione degli elementi leggeri nell'universo primordiale, come l'elio, il deuterio e il litio, mentre la teoria della struttura a grande scala dell'Universo studia la formazione di stelle, quasar, galassie e gruppi e ammassi di galassie. Entrambe le teorie suggeriscono che la densità d'energia di tutta la materia ipotizzabile nell'universo, costituita dall'insieme dei barioni e della materia oscura fredda, sia circa il 30% di quella necessaria per rendere nulla la curvatura spaziale. Poiché misurazioni della radiazione cosmica di fondo effettuate dal satellite WMAP, lanciato nel 2001, indicano che l'universo è molto vicino a una curvatura nulla, è possibile concludere che una quota di energia non visibile, "oscura" appunto, costituisca il restante 70% circa. Un lavoro pubblicato nel 2012 dall'università di Portsmouth e dalla LMU di Monaco, basato sulla sovrapposizione di mappe di regioni dell'universo con quelle della radiazione di fondo, ha migliorato la veridicità rispetto a precedenti analoghi studi di conferma dell'effetto Sachs-Wolfe, sostenendo una probabilità dell'esistenza di un'energia oscura del 99,9996% (lo stesso valore di 5 sigma raggiunto dalla scoperta del bosone di Higgs). La spiegazione dell'energia oscura più semplice e più condivisa fra i fisici e i cosmologi è che essa sia "il prezzo di avere spazio": ovvero un volume di spazio possiede un'energia intrinseca e fondamentale, chiamata energia del vuoto, che rappresenta la densità di energia del vuoto fisico. .

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