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

Francesca Santini A.S. 2006-2007

"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

Francesca Santini A.S. 2006-2007

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 4

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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 spostamenti 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. 5

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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'imagine, 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 L'ammasso di galassie Abell 2218. Questo ammasso è così denso e compatto

Telescopio Spaziale Hubble (HST che la luce proveniente da oggetti molto lontani situati oltre l'ammasso lungo

14164+5215) mostra, al centro, la la direzione di osservazione viene amplificata e distorta sotto forma di archi

galassia "lente" posta tra la terra e la luminosi.

sorgente. (Credits: NASA, Andrew Fruchter and the ERO Team [Sylvia Baggett (STScI),

(Credits: Kavan Ratnatunga (Carnegie Richard Hook (ST-ECF), Zoltan Levay (STScI)] (STScI))

Mellon Univ.) and NASA)

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 7

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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 luminositá è massima quando sorgente, lente e osservatore sono sulla stessa retta; la

luminositá 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

materia barionica).

stesso tipo di quella visibile (materia ordinaria, 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 (cioè costituita di protoni e neutroni), sia visibile