Il vero leader riesce a far lavorare gli altri facendoli divertire.
E. Caruso
Fino al 1998, sia la relatività generale, sia il semplice buon senso, per una volta concordi, avevano fatto pensare che l'espansione dell'universo iniziata col Big Bang fosse andata via via rallentando. A frenarla doveva essere l'attrazione gravitazionale fra le galassie che impediva di dover pensare a un universo che cresce senza limiti. Ma in quel 1998 due team di astronomi, osservando distanti esplosioni stellari, si sono accorti che, invece, l'universo si espande sempre più velocemente e questo, per gli astrofisici, significa che la forza di gravità deve essere contrastata da un'energia capace di spingere le galassie l'una lontana dall'altra. Un'energia nuova e "oscura", eletta da "Science" a scoperta dell'anno. L'introduzione dell'energia oscura è attualmente il modo più diffuso fra i cosmologi per spiegare le osservazioni di un Universo in espansione accelerata, come pure per colmare una significativa porzione della massa-energia mancante dell'universo (il 74% circa, su un totale mancante di circa il 96%). Il 22% mancante è rappresentato da quella che viene chiamata materia oscura.
La materia-energia dell'Universo sarebbe costituita da un 74% di energia oscura, da un 22% di materia oscura, da un 3,6% di gas intergalattico e da uno 0,4% di materia visibile.
Nel 1933 l'astronomo Fritz Zwicky stava studiando il moto di ammassi di galassie lontani e di grande massa. Zwicky stimò la massa di ogni galassia dell'ammasso basandosi sulla sua luminosità, e sommò tutte le masse galattiche per ottenere la massa totale dell'ammasso. Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità individuali delle galassie nell'ammasso; questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte più grande della stima basata sulla luce delle galassie. Sebbene l'evidenza sperimentale ci fosse già ai tempi di Zwicky, fu solo negli anni settanta che gli scienziati iniziarono ad esplorare questa discrepanza in modo sistematico e a sospettare che vi fosse nel cosmo qualcosa che non era stata ancora individuata. Fu in quel periodo che l'esistenza della materia oscura iniziò ad essere considerata; l'esistenza di tale materia non avrebbe solo risolto la mancanza di massa negli ammassi di galassie, ma avrebbe avuto conseguenze di ben più larga portata sulla capacità dell'uomo di predire l'evoluzione e il destino dell'Universo stesso. Nel 2008 grazie allo studio di diversi ricercatori si ebbe la definitiva scoperta della sua presenza nell'universo difatti, utilizzando il telescopio Canada-France-Hawaii Telescope (Cfht) posto sul monte Mauna Kea nelle Hawaii, si osservarono migliaia di immagini per notare la deviazione che la luce subiva nel suo viaggio cosmico. La luce veniva deviata anche in punti dove non erano visibile masse gravitazionali che giustificassero tali deviazioni ed è proprio grazie a questi punti che si è ipotizzata la presenza di materia oscura non visibile, ma dotata di campo gravitazionale.
Con questa scoperta e con molte altre osservazioni cosmologiche si è avuta la conferma di ciò che si ipotizzava: la materia visibile che compone l'Universo - tutti i pianeti, le stelle, gli oltre 120 miliardi di galassie e il gas intergalattico - costituiscono solo il 4% dell'Universo. Il resto, il 96% è "oscuro". Il 74% di questa "oscurità "sarebbe"energia oscura", ritenuta responsabile delle osservazioni di un universo in espansione accelerata, il 22% sarebbe la materia oscura di cui gli astronomi hanno scoperto l'esistenza.
Un'importante evidenza della necessità della materia oscura fu fornita dall'andamento di stelle poste ai limiti 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 (« I quadrati dei periodi di rivoluzione dei pianeti sono proporzionali ai cubi dei semiassi maggiori delle loro orbite. ») le stelle con orbite galattiche più grandi devono avere velocità orbitali minori; la terza legge di Keplero è applicabile soltanto a stelle vicine alla periferia di una galassia spirale, poiché si presuppone che la massa racchiusa dall'orbita sia costante. Gli astronomi hanno condotto osservazioni delle velocità orbitali delle stelle nelle regioni periferiche di un gran numero di galassie spirali, e hanno mostrato che in nessun caso esse seguono la terza legge di Keplero. Invece di diminuire a grandi raggi, le velocità orbitali rimangono con ottima approssimazione costanti. Considerando le stelle presso la periferia di una galassia spirale, con velocità orbitali osservate normalmente di 150-200 chilometri al secondo, se la galassia fosse composta solo dalla materia visibile queste stelle la abbandonerebbero, dato che le loro velocità orbitali sono quattro volte più grandi della velocità di fuga dalla galassia. Poichè non si osservano galassie che mostrino questo comportamento se ne deduce che al loro interno deve trovarsi della massa di cui non si tiene conto quando si somma la massa di tutte le parti visibili.
Inoltre, il 21 agosto 2006 la Nasa ha rilasciato un comunicato stampa secondo cui Chandra (Chandra è il nome di un telescopio orbitale della Nasa per l'osservazione del cosmo. Il telescopio è conosciuto anche col nome AXAF, Advanced X-ray Astrophysics Facility) 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.
Un'altra prova dell'esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali. 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.
La massa oscura sarebbe 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 non emette radiazioni;
- la materia oscura non barionica è composta da materia intrinsecamente diversa e non ancora scoperta. Questa materia è detta 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 il neutrino si muove a velocità prossima a quella della luce, sfuggendo prima o poi all'attrazione gravitazionale e uscendo da esse. L'essenza della materia oscura è ancora oscura.
Un filamento di materia oscura è stato portato, recentemente, alla luce. Ad annunciarlo, il 4 luglio 2012, è un gruppo di ricercatori guidati da Jörg Dietrich della University Observatory Munich e della University of Michigan. Come è stato possibile osservare l'invisibile? Analizzando i deboli segnali gravitazionali prodotti dal filamento stesso, quello che connette il cluster di galassie Abell 222 al cluster di galassie Abel 223 come spiegano gli scienziati su Nature. La materia oscura non è, come già detto, osservabile: non emette cioè radiazioni elettomagnetiche, ma è comunque in grado di esercitare effetti gravitazionali sulla luce delle galassie. La materia oscura sarebbe presente nell'Universo sotto forma di una sorta di scheletro, una rete filamentosa che connette grandi strutture massive. In questo modello si crede che gli ammassi galattici si trovino ai punti di intersezione dei filamenti - che conterebbero più della metà di tutta la materia - sebbene queste strutture non siano mai state osservate davvero. Ma con il lavoro del team di Dietrich qualcosa invece comincerebbe a vedersi: in particolare quello messo in evidenza è il filamento che connette i due componenti principali del superammasso Abell 222/223. Per scovarlo i ricercatori sono ricorsi alla tecnica delle lenti gravitazionali. In pratica si tratta di osservare indirettamente un oggetto, analizzando cioè come il suo campo gravitazionale faccia deviare la luce emessa dalle galassie. E dal momento che anche la materia oscura ha un campo gravitazionale, la lente gravitazionale può servire come un valido strumento per portarla alla luce. Gli scienziati hanno quindi analizzato la distorsione luminosa di oltre 40mila galassie lontane e sono riusciti così a osservare il filamento che connette i due ammassi di galassie Abell 222 e Abell 223. Studiando le caratteristiche della luce analizzata, i ricercatori sono riusciti a calcolare forma e dimensioni del filamento, individuando una struttura con una massa compresa tra le 6.5 × 10exp13 e le 9.8 × 10exp13 volte quella del Sole. Le analisi effettuate con il telescopio spaziale XMM-Newton hanno inoltre evidenziato come il filamento emetta anche raggi X, indicando la presenza di una piccola parte di materia visibile costituita di gas caldo.
Per quanto riguarda l'energia oscura possiamo affermare che è più oscura della materia oscura. Quando Richard Feynman e altri svilupparono la teoria quantistica della materia, si resero conto che anche il vuoto possedeva una sua ben definita energia, data dalle particelle virtuali che si formano a coppie, le quali si annichiliscono a vicenda. Attraverso accurate misure, ci si rese conto che una forma di energia non rilevabile permea il vuoto, e la sua azione antigravitazionale fa accelerare l'espansione dell'universo. Come risultato collaterale, l'età dell'universo è inferiore a quanto stimato sulla base di una velocità di espansione costante. Ancora non si è capito né a cosa si deve questa energia, né come sia legata alla teoria inflazionaria.
In cosmologia il termine Inflazione si riferisce all'idea che l'Universo, poco dopo essere "nato", abbia attraversato una fase di espansione esponenziale, quindi estremamente rapida ed accelerante, dovuta ad un'energia del vuoto positiva. Differentemente dal modello tradizionale proposto dalla teoria del Big Bang, che prevede una espansione convenzionale decelerante nel tempo, l'espansione inflazionistica allontana due oggetti ad un ritmo sempre più rapido fino a superare la barriera della velocità della luce.
Giova notare che alcuni modelli di gravità quantistica possono spiegare in altra maniera le proprietà cosmologiche, senza far ricorso all'energia oscura.
Eugenio Caruso
1 ottobre 2012
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