Al di là della realtà, viaggio al di là della materia, del pensiero e della rappresentazione

Francesca Santini A.S. 2006-2007

Al di là della realtà

Viaggio al di là della materia, del pensiero e della rappresentazione 1

Francesca Santini A.S. 2006-2007

Introduzione

In questi ultimi mesi di scuola, pensando a quali argomenti avrei voluto trattare nella mia tesina d’esame, ho deciso di concentrarmi sulle materie che, in questi anni di liceo, mi hanno appassionata maggiormente e che non avrò la possibilità di approfondire all’università, avendo scelto di dedicarmi alla medicina.

Proseguendo inoltre con lo studio dell’astronomia e ascoltando la conferenza tenutaci dal prof. Paolo Calcidese sono rimasta affascinata dall’argomento della materia oscura e della grande importanza che, pur essendo ancora solamente teorizzata, ricopre per l’astrofisica e la cosmologia.

Ho pensato che l’argomento “materia oscura” si prestasse a collegamenti con l’altra materia che, in questi tre anni di studio, ho imparato ad apprezzare: la filosofia.

Kant, il filosofo del limite della conoscenza, teorizzando l’esistenza di una cosa in sé, reale ma inconoscibile, alla base della realtà visibile quale a noi ci appare, mi è sembrato un perfetto anticipatore dell’attuale ricerca della materia oscura.

Ho deciso inoltre di inserire un breve collegamento al surrealismo di Magritte che, soprattutto con l’opera dell’Uso della Parola, teorizza la differenza essenziale di realtà e rappresentazione.

La mia tesina ha assunto quindi l’aspetto di un viaggio oltre la materia conosciuta, oltre il pensiero conoscibile e oltre la realtà della rappresentazione. 2

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“È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90 per cento [della materia] dell’Universo.”

(Bruce H. Margon, astronomo all’Università di Washington, New York Times, 2001) 3

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Che cosa s’intende per materia oscura?

Materia oscura

Materia non oscura

Anche se il termine “materia oscura” può sembrare misterioso, è semplicemente il termine che fisici, astrofisici e cosmologi danno alla materia che non emette luce visibile, onde radio, raggi X, raggi gamma o altre radiazioni elettromagnetiche. Materia oscura ed energia oscura sono due componenti fondamentali dell’universo, tanto da ritenerle le sue maggiori componenti. La prima è entrata nel contesto cosmologico da alcune decine di anni in seguito a tutta una serie di osservazioni astronomiche che ne indicavano l’esistenza, della seconda se ne parla solo da qualche anno ma il suo ruolo risulta essere determinante nell’economia cosmica. La materia oscura è una entità invisibile, la cui presenza viene dedotta dagli effetti gravitazionali che essa induce su oggetti che emettono luce e che pertanto possono essere osservati con i telescopi.

Le prime evidenze della presenza nell’Universo di materia che non possiamo osservare risalgono a studi effettuati negli anni trenta, riguardanti ammassi di galassie, cioè aggregati di molte galassie separati da grandi spazi vuoti.

Zwicky, nel 1933, e Smith, nel 1936, studiando grandi ammassi di galassie, rispettivamente quello della Chioma di Berenice e quello della Vergine, osservarono che le velocità di rotazione delle galassie erano molto superiori a quelle previste per un sistema gravitazionalmente legato la cui massa fosse solamente quella delle galassie visibili. Essi conclusero che le galassie nell’ammasso dovevano essere tenute insieme da effetti gravitazionali dovuti ad una gran quantità di materia invisibile, che essi chiamarono “materia mancante”. Oggi questo termine è in disuso e si preferisce parlare di materia oscura, cioè non osservabile tramite la luce emessa.

Fu solo negli anni ’70, con la maggiore affidabilità dei dati sperimentali, il maggior numero di galassie campionate e in particolare sulla base di studi dettagliati del moto delle stelle nelle galassie, che la comunità scientifica fu costretta a prendere atto del problema della materia oscura.

N.B. Va sottolineato che tutte le analisi astrofisiche citate presuppongono la validità della legge della gravitazione universale R 1/R , anche a distanze molto grandi. Se la dipendenza della forza gravitazionale dalla distanza fosse diversa dalla forma 2 molte delle conclusioni sulla materia oscura dovrebbero essere riviste.

Come sappiamo che c’è?

Sono molte le prove sperimentali a favore dell’esistenza nell’Universo di materia oscura.

• Moto delle stelle in una galassia. Le galassie a spirale hanno un nucleo centrale denso di stelle e bracci a spirale avvolti attorno al nucleo che seguono il verso di rotazione dell’intera struttura. Ogni stella appartenente alla galassia ruota con una propria velocità intorno al centro. Da semplici considerazioni, ci si aspetta che, a grandi distanze dal centro galattico, tali per cui la galassia possa essere assimilata sostanzialmente ad un’enorme massa concentrata, la velocità tangenziale di una stella decresca all’aumentare della distanza.

Un andamento analogo della velocità con la distanza si ha anche per i pianeti del sistema solare: quelli più vicini al sole sono più veloci di quelli più lontani.

Il grafico mostra i valori misurati delle velocità tangenziali delle stelle attorno al centro della galassia M33, punti gialli, in funzione della loro distanza dal centro. Si trova un andamento crescente della velocità e non decrescente, come nelle aspettative, linea tratteggiata.

La spiegazione più accreditata della maggiore velocità delle stelle esterne presuppone la presenza di materia non visibile diffusa nell’alone di ogni galassia, compresa la nostra, la Via Lattea.

Velocità tangenziale delle stelle attorno al centro della galassia M33 in funzione della distanza dal centro. I punti con le barre di errore sono le misure sperimentali; sui punti è riportata la curva che meglio riproduce la dipendenza dalla velocità. La linea tratteggiata rappresenta la decrescita della velocità che ci si aspetta per le relativamente poche stelle che si trovano a distanze superiori alla dimensione media della galassia. Per maggiore chiarezza, l’immagine ottica della galassia è stata sovrapposta al grafico.

• Moto delle galassie nei grandi ammassi. Gli ammassi di galassie sono raggruppamenti di galassie e le velocità con cui le singole galassie si muovono in un ammasso si possono determinare con l’effetto Doppler. Lo spostamento verso il rosso complessivo dell’ammasso è causato dall’espansione dell’universo, ma le singole galassie presentano spostamenti verso il rosso leggermente diversi, poiché i loro moti individuali si aggiungono o sottraggono allo spostamento verso il rosso cosmologico. Da questi studi risulta che all’interno degli ammassi le galassie si muovono spesso troppo rapidamente per poter essere trattenute in essi dalla gravità del materiale accessibile alla nostra osservazione. Poiché le galassie vengono trattenute efficacemente negli ammassi, altrimenti questi non esisterebbero, dev’essere presente in essi altra materia, non osservabile direttamente, e in una quantità 10 volte maggiore di quella contenuta nelle galassie stesse, compresa la componente oscura delle galassie.

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• Presenza di nubi di gas nelle parti più esterne delle galassie e nello spazio fra galassie. Studiando i confini esterni delle galassie dove vi sono pochissime stelle e quindi la luminosità dovuta alle stelle è trascurabile, si sono osservate enormi nubi di gas confinato nell’ammasso. Per spiegare come mai queste nubi non si disperdano nello spazio occorre supporre l’esistenza di materia oscura con una distribuzione diversa dalla distribuzione dedotta dalla sola componente luminosa. Potrebbero esistere anche galassie di materia oscura? Da studi recenti risulta che la materia visibile gassosa nella forma di aloni si estende ben oltre i confini delle galassie visibili. Per essere osservabile un gas deve essere riscaldato. Chi o cosa lo riscalda?

Immagine a raggi X presa dal satellite ROSAT sovrapposta ad una fotografia di un gruppo di galassie. L’immagine mostra, in falso colore rosa, una gigantesca nube di gas “caldo” che emette una debole quantità di raggi X. La presenza di questo gas fa supporre una forte attrazione gravitazionale in grado di mantenerlo confinato; la sola massa delle galassie visibili non sarebbe sufficiente. Deve quindi essere materia oscura diffusa fra le galassie di un ammasso.

(Credit: Dr. R. Mushotzky Nasa Goddard Space Flight Center)

• Lenti gravitazionali. Il termine lente gravitazionale indica un effetto, descrivibile nell’ambito della Relatività Generale, secondo cui i fotoni emessi da una sorgente luminosa, quando passano nelle vicinanze di un corpo celeste massivo, subiscono la sua attrazione gravitazionale. In prossimità del corpo, lo spazio-tempo si modifica incurvandosi. Questa perturbazione si traduce in un cambiamento del percorso della luce rispetto alla traiettoria originale; ciò dà origine alla formazione di immagini multiple della sorgente astronomica. Corpi celesti massivi si comportano quindi come lenti gravitazionali.

Quando la lente gravitazionale è costituita da una galassia o un ammasso di galassie, l’immagine della sorgente è rispettivamente formata da due o più oggetti “puntiformi” oppure da grandi archi luminosi. Dalla misura dell’angolo di curvatura della luce o del grado di distorsione dell’immagine, si può stimare la massa della lente, deflector. Nella maggior parte dei casi si è trovato che questa massa è molto maggiore di quella associata alla materia visibile. 6

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Immagine sdoppiata per effetto di lente gravitazionale. La foto presa dal Telescopio Spaziale Hubble, HST 14164+5215, mostra, al centro, la galassia “lente” posta tra la terra e la sorgente.

(Credits: Kavan Ratnatunga, Carnegie Mellon Univ., and NASA)

L’ammasso di galassie Abell 2218. Questo ammasso è così denso e compatto che la luce proveniente da oggetti molto lontani situati oltre l’ammasso lungo la direzione di osservazione viene amplificata e distorta sotto forma di archi luminosi.

(Credits: NASA, Andrew Fruchter and the ERO Team [Sylvia Baggett (STScI), Richard Hook (ST-ECF), Zoltan Levay (STScI)] (STScI))

La deviazione della luce di una galassia distante intorno ad un oggetto massivo.

Le frecce arancioni indicano la posizione apparente della galassia distante. Le frecce bianche il reale percorso della luce.

MACHO è un acronimo che sta per MAssive Compact Halo Object, ossia oggetto massivo compatto di alone. Esso viene utilizzato per indicare oggetti astronomici che potrebbero rappresentare una parte importante della materia oscura presente nell’alone galattico. Per questo motivo, la categoria dei MACHOs non comprende solo gli oggetti compatti propriamente detti, nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri, ma anche pianeti e nane brune, che come i primi sono caratterizzati da un rapporto massa/luminosità molto più elevato di quello delle stelle normali e sono quindi molto meno luminosi. D’altra parte, un oggetto di una di queste classi che non faccia parte dell’alone non è un MACHO, ad es. i pianeti del Sistema solare non sono dei MACHOs.

Quando la lente è costituita da un MACHO, si parla di microlente, la separazione angolare delle immagini generate è troppo piccola per permettere di vedere lo sdoppiamento. Tuttavia se la sorgente è fissa e la lente è in movimento rispetto alla stella si osservano apparenti variazioni di luminosità nella luce emessa dalla stella sorgente: la luminosità è massima quando sorgente, lente e osservatore sono sulla stessa retta; la luminosità è minore, ed è quella vera, quando la lente si è spostata dalla posizione di allineamento.

Misurando di quanto è stata amplificata la luce della sorgente, si è riusciti a “pesare” l’oggetto non visibile che genera la lente gravitazionale.

Rappresentazione pittorica di lente gravitazionale prodotta da un MACHO.

Davide Centomo, Dip. di Fisica Università di Bologna)

(Credit:

In particolare sono state analizzate sistematicamente le variazioni luminose delle stelle nella Grande Nube di Magellano, una piccola galassia satellite della nostra Via Lattea. In alcuni casi sono state osservate delle variazioni luminose delle stelle, interpretate come dovute a lenti costituite da oggetti invisibili aventi masse come quelle di grandi pianeti, che muovendosi al bordo della nostra galassia intercettano la luce di alcune stelle. Sono stati individuati un certo numero di questi corpi, ma il loro numero e massa danno solo un piccolo contributo alla materia oscura.

Le lenti gravitazionali permettono di ottenere informazioni sulla presenza di materia non visibile localizzata in posti specifici, come grandi pianeti, buchi neri, galassie. Questa materia oscura dovrebbe essere dello stesso tipo di quella visibile, materia ordinaria, materia barionica. 8

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Di cosa è fatta la materia oscura?

Il Telescopio Spaziale Hubble ha mostrato che nel cielo, in una dimensione angolare pari a quella sotto cui è vista la luna, vi sono milioni di galassie. Da molte misure di questo tipo si riesce a stimare che nell’Universo vi siano circa 100 miliardi di galassie e che ciascuna di esse sia in media composta di circa 100 miliardi di stelle!

Questa enorme quantità di materia è in realtà poca cosa quando la si confronta con la materia oscura, sia essa materia oscura “ordinaria” oppure “esotica”. Barionica.

L’ammontare nell’Universo di materia ordinaria o barionica, cioè costituita di protoni e neutroni, sia visibile che oscura, può essere stimata sulla base della quantità relativa di deuterio e di elio presente oggi e presente circa tre minuti dopo il Big Bang. Se allora vi fosse stata molta materia barionica, le collisioni fra nucleoni prima, e fra nuclei poi, sarebbero state molto probabili nei primi attimi dell’Universo e la frazione di deuterio dovrebbe essere ora molto piccola perché i nuclei di deuterio danno luogo ad elio; se invece la materia barionica fosse poca, allora la quantità di deuterio dovrebbe essere relativamente più abbondante.

Dalle misure più recenti delle attuali quantità relative di deuterio e di elio, si deduce che la materia barionica presente nell’Universo sia circa solo un settimo di quella necessaria per tenere legate le stelle nelle galassie e le galassie negli ammassi. Con metodi indiretti gli astrofisici hanno inoltre stimato che la materia barionica che non emette luce visibile sia circa 9 volte quella che emette luce visibile.

Di cosa è composta? Si tratta di enormi nubi di gas nei grandi ammassi di galassie, di “buchi neri” provenienti dal collasso di stelle e anche di buchi neri massicci al centro delle galassie, di stelle “morte”, nane bianche, stelle di neutroni, ..., di oggetti di dimensioni planetarie, indicati con il nome generico di MACHO, MAssive Compact Halo Objects, ecc..

Ci sono due modi in cui la materia barionica presente nella nostra galassia potrebbe essere oscura. Le stelle risplendono a causa delle reazioni di fusione nucleare che hanno luogo nel loro interno, per mezzo delle quali convertono elementi leggeri, di norma idrogeno, in elementi più pesanti, per lo più elio, con liberazione di energia. Queste reazioni di fusioni possono però essere innescate solo se la massa della stella è abbastanza grande da poter comprimere l’idrogeno nella sua regione centrale con una forza tale da superare la tendenza dei nuclei atomici, di carica elettrica positiva, a respingersi reciprocamente.

La massa critica per la formazione di una stella è compresa fra la massa del Sole e la massa di Giove, il massimo pianeta del sistema solare, con una massa pari a solo 1/1047 di quella del sole. Un oggetto di massa inferiore all’8% della massa solare, ossia di massa 84 volte maggiore di quella di Giove, può ancora riscaldarsi, contrarsi per effetto della gravità, ma non diventerà mai abbastanza caldo da innescare la combustione nucleare. Esso diventerebbe una nana bruna, con una temperatura alla superficie che non salirà mai sopra i 2000 K e una luminosità che non supererà mai un milionesimo della luminosità solare. Dopo di che sarebbe condannato ad un totale oblio, diventando una nana nera.

La seconda possibilità è più spettacolare ma meno plausibile. Alcuni astronomi hanno sostenuto che, quando la Galassia era molto giovane, grandi nubi di materiali possono aver subito un collasso gravitazionale, formando superstelle, oggetti di massa grandissima che percorsero con grande rapidità il loro ciclo vitale e infine esplosero, lasciando come residuo buchi neri di grande massa. Tali buchi neri potrebbero essere considerati materia barionica, avendo avuto origine da stelle. Essi potrebbero avere una massa milione di volte maggiore di quella del Sole, ma se esistessero dovrebbero esercitare un’influenza rivelabile sulla struttura delle galassie, al di là della regolarità della loro rotazione, cosa che non si osserva.

Ma cosa si può dire del materiale non barionico richiesto per mantenere la coesione degli ammassi e per rendere piatto lo spazio-tempo? 9

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