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La tesina di astronomia sulla materia oscura che ha vinto il primo premio nel concorso "Premio Maturità 2007". Questa tesina di maturità scientifica presenta le ricerche di astrofisica relative alla materia oscura dal 1933 al 2007.
La ricerca astronomica della materia oscura: dal 1933 al 2007. Prove sperimentali e accenni teorici
Con una piccola digressione filosofica e citazioni letterarie (italiane e inglesi) e artistiche sparse
Dalla premessa
Personalmente mi sento molto affascinato dalla volta celeste, con ciò che mostra e ciò che invece ancora nasconde. Il cielo non è altro che la testimonianza presente del mistero in cui l'uomo è immerso. Sviluppando questa mia passione per l'astronomia e il fascino per l'ignoto proprio di tutti noi, ho scelto di trattare di uno dei grandi misteri che nemmeno la scienza più moderna riesce a comprendere nella sua pienezza. La materia oscura ha una cruciale importanza a livello cosmologico, sul destino dell'Universo, eppure rimane sconosciuta, per ora, alle nostre osservazioni. Analizzare la storia di questa ricerca significa, in parte, percorrere gli ultimi passi dell'umanità verso il cuore del mondo. Nel'900 si fa avanti la concezione che ciò che esiste non è semplicemente quello che vediamo. In arte, letteratura, filosofia la mente comincia ad andare oltre ciò che appare. La ricerca della materia oscura in campo astronomico rappresenta il culmine scientifico di queste concezioni sulla realtà. La seguente tesina tratterà delle prove che gli astronomi posseggono sull'esistenza della materia oscura nei gradi spazi cosmici. La trattazione avrà un'impostazione soprattutto di tipo qualitativo, essendo l'analisi quantitativa di questi problemi molto complessa per essere trattata a livello liceale. La sola descrizione delle scoperte basterà a dare un quadro complessivo su ciò che oggi sappiamo sulla presenza di materia oscura nel cosmo, lasciando, ovviamente, molti interrogativi per il futuro. Mi propongo di approfondire le prove a sostegno della presenza di materia oscura, analizzando prima strutture più piccole come le galassie (parte 1) , per poi passare a strutture a larga scala come ammassi e superammassi (parte 2). Seguirà una piccola trattazione di carattere cosmologico (parte 3) e degli accenni sulle particelle elementari che potrebbero comporre la materia oscura (parte 4). A contorno di questo nucleo centrale ho posto due parti in ordine cronologico. La tesina infatti si apre con le prime evidenze sulla materia oscura del 1933, e si chiude con le ultimissime scoperte del gennaio 2007
Materie interessate: Fisica, Scienze, Matematica
Tesina vincitrice del concorso "Premio Maturità 2007": prima tesina in assoluto
Commenti della giuria e degli esperti consultati
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Quello della materia oscura è un tipico esempio di problema interdisciplinare, la cui trattazione presenta la difficoltà di richiedere competenze in settori scientifici molto diversi tra loro, nonché una grande capacità di sintesi nell'atto di tradurre le proprie conoscenze in risultati scientifici innovativi. A nostro parere, il lavoro di Davide Gerosa copre in modo esauriente i diversi aspetti del problema, giungendo ad un alto livello di approfondimento nell'aspetto cosmologico relativo alle evidenze osservative della presenza della materia oscura nell'Universo, ed impostando in modo corretto la complessa problematica dell'interpretazione circa la sua natura e costituzione. Il materiale presentato attesta il raggiungimento di conoscenze sufficienti ad intraprendere un più approfondito percorso investigativo circa l'attuale scenario sperimentale per la detezione di segnali prodotti da sorgenti di materia oscura con l.utilizzo delle più innovative tecnologie. Una nota molto positiva va espressa circa la grande originalità dell'elaborato, sia relativamente all'organizzazione e alla strutturazione del materiale proposto, sia riguardo alla ricchissima galleria fotografica ed ai molteplici riferimenti artistici di cui la tesina è costellata.
Erica Bisesi, PhD
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Tesina strutturata in modo impeccabile, molto ampia che denota un lavoro attento e molto meticoloso. Talvolta molto tecnici e di alto livello i riferimenti che denotano una notevole padronanza delle difficili problematiche descritte. Si tratta di un lavoro eccellente sotto ogni punto di vista.
La giuria
Parole chiave: tesina di maturità, esame di stato liceo scientifico, astronomia, materia oscura.
Approfondimenti
Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
Figura 3 La galassia "sombrero" M104
Indice:
0 INTRODUZIONE: Prime evidenze della materia oscura
C’è qualcosa che non va…
0.1 Zwicky. Ammasso della Chioma di Berenice
Velocità eccessive e massa mancante
1 PRIMA PARTE: Materia oscura nelle galassie
La materia oscura esiste davvero!
1.1 Quanta materia luminosa c’è?
Il peso della luce
1.2 Le curve di rotazione
Materia oscura nelle galassie a spirale
1.3 Aloni galattici
Possibili distribuzioni di materia oscura e Polar-Ring Galaxy
1.4 Peebles e Ostriker. Galassie a spirali barrate
Criterio di sopravvivenza galattico ed effetto Warp
1.5 Involucri stellari oscuri: galassie ellittiche
Esplorazione a Raggi X
1.6 Galassie nane (e misteriose!)
Materia oscura in abbondanza
2 SECONDA PARTE: Materia oscura in ammassi e superammassi
Sempre più materia oscura…
2.1 Teorema del viriale cosmico
Gli aloni oscuri continuano all’infinito?
2.2 Lo sbaglio dell’ammasso del Cancro
Falsicabilità secondo K.Popper
2.3 Stiamo precipitando verso la Vergine?
Anisotropia dipolare della radiazione cosmica di fondo
2.4 I sette samurai e il Grande Attrattore
Oltre il superammasso? Strutture a grande scala nell’Universo
2.5 Le lenti gravitazionali
Einstein e le nuove frontiere dell’esplorazione celeste
5
Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
3 TERZA PARTE: Evidenze cosmologiche sulla materia oscura
Troppa materia oscura
3.1 Spillar, Loh. Misurando la curvatura del cielo
Geometrie non euclidee
3.2 Se l’Universo è piatto…
Il parametro Ω e le teorie cosmologiche
3.3 Il rapporto barioni-fotoni
Nucleosintesi primordiale
4 QUARTA PARTE: Possibili candidati per il ruolo di materia oscura
Chi è la materia oscura?
4.1 Materia oscura barionica: MACHOs
Pianeti, nane brune, pulsar, polveri interstellari e buchi neri
4.2 La materia oscura calda: veloce come la luce
La grande saga dei neutrini
4.3 La materia oscura fredda: particelle esotiche
Assioni e Monopoli magnetici!
4.4 WIMP: l’ultima speranza
Freddo, freddissimo
4.5 L’energia oscura (accenni)
E se il vuoto non fosse vuoto?
4.6 Cercasi materia oscura disperatamente!
Tabelle di riepilogo
0 CONCLUSIONE: La materia oscura e Hubble
Verso un futuro “oscuro”
0.2 Hubble e COSMOS
Confronti diretti fra visibile e oscuro
0.3 Hubble e la prima mappa della materia oscura
Verso l’infinito e oltre
BIBLIOGRAFIA
Figura 4 Scambio di materia fra le galassie NGC 2207 e IC 2163 immortalato da Hubble
6
Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
Indice dei riferimenti artistici e letterari
(digressione filosofica)
0.1 Munch, Starry Night
Atlante Farnese
1.1
1.2 Kudriashev, Traiettoria dell'orbita della Terra attorno al Sole
1.3 Conrad, Heart of Darkness
1.4 Ungaretti, Stella
1.5 Svevo, La coscienza di Zeno
1.6 Balla, Transito di Mercurio sul Sole
Raffaello, Atronomia
2.1
2.2 Popper, falsicabilità
2.3 Pascoli, Vertigine
2.4 Elsheimer, Fuga in Egitto
Foscolo, I sepolcri
2.5
3.1 Dalì, La persistenza della memoria
3.2 Escher, Altro Mondo II
3.3 La Bibbia, Genesi
4.1 Mirò, Giallo e blu
Dylan, Forever Young
4.2
4.3 Pirandello, Ciaula scopre la luna
4.4 Verga, I Malavoglia
4.5 Friedrich, Viandante sul mare di nebbia
4.6 Springsteen, Silver Palomino
0.1 Wordsworth, Daffodils
0.2 Leopardi, Canto notturno di un pastore errante dell’Asia
Van Gogh, Notte Stellata
Figura 5 Vincent Van Gogh, Notte stellata sul Rodano, particolare. In questo famoso quadro il pittore
olandese dipinge le sette stelle dell’orsa maggiore sopra la città in riva al fiume.
7
Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
INTRODUZIONE
Prime evidenze della materia oscura
C’è qualcosa che non va…
8
Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
0.1 Zwicky. Ammasso della Chioma di Berenice
Velocità eccessive e massa mancante
Le prime prove dinamiche
dell’esistenza di materia invisibile o
“oscura” risalgono addirittura agli
anni ’30. L’astronomo Fritz Zwickt,
del Califronia Istitution of
Tecnology, a cui si devono molti
sviluppi di fondamentale
importanza nell’astrofisica,
esaminò gli elementi dell’ammasso
di galassie (456 elementi) della
Chioma di Berenice, situato a
decine di milioni di anni luce da noi.
Studiò i movimenti delle singole
galassie componenti l’ammasso
paragonandoli con la legge di
Hubble, nota dal 1929. Con sua
sorpresa notò gli spostamenti
verso il rosso dovuti alla
recessione delle galassie variavano
molto fra i vari componenti
dell’ammasso: vi erano galassie
con velocità relative notevoli.
Quando stimò la massa totale del
sistema sommando il materiale
galattico luminoso, trovò qualcosa
di molto preoccupante: le singole
galassie avevano una velocità Figura 6 Ammasso della Chioma di Berenice (Hubble Space Telescope)
maggiore della presumibile velocità con il brillante cuore
di fuga dovuta all’attrazione Figura 8 Ammasso della Chioma di Berenice (Nasa)
Figura 7 Munch: Starry Night. Ho voluto mettere questo dipinto in apertura perché è un invito ad
affacciarsi al cielo stellato. Il pittore espressionista norvegese infatti rappresenta in primo piano una
scalinata con al fondo un ombra: è l’ombra dell’osservatore che si accinge ad andare verso le stelle.
9
Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
gravitazionale dell’ammasso stesso. Dagli studi di fisica sappiamo che la velocità di fuga è quel valore di
velocità che permette ad una massa in moto di sfuggire al campo gravitazionale a cui è legata. Può
essere calcolata ipotizzando che un corpo, sparato come un proiettile, parta da una velocità iniziale (che
poi sarà la mia velocità di fuga) ed arrivi a distanza infinita con velocità nulla. Utilizzando il principio di
conservazione dell’energia, uguagliamo la misura dell’energia iniziale (energia potenziale sottratta a quella
cinetica) e finale (zero, per le supposizioni fatte). Si ottiene:
1 mM
= −
E mv G con m come massa del proiettile, M come massa
2
GM
=
i f ⇒ v
2 r generatrice del campo, r distanza fra le masse e G
f r costante di gravitazione universale
= 0
E f
Questa formula è esatta per un centro di massa unico, deve
invece subire variazioni differenziali per un massa diffusa come
delle galassie. Zwicky misurò infatti che la velocità del moto di
ben otto galassie era di 1019 ± 360 km/s (una buona
approssimazione del valore moderno di 1082 km/s ottenuto
da Colless e Dunn nel 1996) paragonata ad una velocità di
fuga di soli 706 ± 267 km/s. L’ammasso della Chioma
avrebbe dovuto non essere stabile eppure esso è un gruppo di
galassie situato in una zona compresa fra i duecento e i
quattrocento milioni di anni luce dalla Terra, il quale dà
l'impressione di essere ben compatto e “duraturo”. Secondo i
dati elaborati da Zwicky i suoi componenti avrebbero dovuto
disperdersi in poco tempo. Poiché la velocità di fuga dipende
dalla massa del sistema che genera il campo gravitazionale
Zwicky dovette ammettere che l’ammasso della Chioma deve
necessariamente contenere più materia rispetto alla semplice
materia luminosa, pena negare la stabilità dell’ammasso Figura 9 Ammasso della Chioma di
stesso. Per una velocità di fuga di 1000 km/s la densità Berenice
media dell’ammasso della Chioma sarebbe dovuta essere 400
volte maggiore di quella derivata dalla sola materia luminosa. Introducendo più massa la velocità di fuga
aumenta e le velocità delle singole galassie rientrano in questo nuovo limite. Bisogna considerare una
grande imprecisione dovuta alla costante di Hubble (la quale è sconosciuta ancora oggi, figuriamoci a soli
4 anni dalla sua scoperta!), ma il dato di Zwincky resta significativo in quanto per la prima volta, nel 1933,
trovo incongruenze di carattere gravitazionale fra la materia osservate e i suoi effetti. Dati dello stesso
tipo furono raccolti, nel 1936 Smith trovò che l’ammasso della Vergine (l’ammasso di galassie più vicino
al nostro Gruppo Locale) avrebbe dovuto possedere una massa anora maggiore di quelle di Zwincky
Scrive lo stesso Zwincky
“Se questa
nel ‘33:
super-densità sarà
confermata arriveremo
alla sconvolgente
conclusione che la
materia oscura è
presente [nell’ammasso
della Chioma] con una
densità molto maggiore
rispetto alla materia
luminosa, […]. Da queste
considerazioni segue
che la grande velocità di
dispersione nella
Chioma (e in altri
ammassi di galassie)
rappresenta un
problema irrisolto”
Figura 10 Ammasso 1E 0657-556 con evidenziati aloni oscuri: dopo più di 70 anni
Hubble ha visualizzato la materia oscura negli ammassi di galassie!
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Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
PRIMA PARTE
Materia oscura nelle galassie
La materia oscura esiste davvero!
11
Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
1.1 Quanta materia luminosa c’è?
Il peso della luce
Figura 11 Atlante Farnese, scultura romana copia da originale greco.
Secondo il mito, il titano Atlante venne condannato da Zeus a reggere il "peso" dell’Universo
Per scoprire come finirà l’Universo occorre
pesarlo. La modalità umana di affacciarsi al
cielo è l’osservazione. E noi osserviamo luce,
non massa. Per stimare la densità di materia
nell’Universo dobbiamo operare qualche
conversione teorica, ipotizzando che una data
quantità di luce sia emessa da una
corrispettiva quantità di materia. Quanto
accurata sarà questa conversione, tanto
migliore sarà la stima del peso dell’Universo
che effettueremo. Occorre quindi misurare la
luce, e poi operarne la conversione in massa.
La prima parte del compito, la misurazione,
sembrerebbe la più semplice. Infatti, per capire
quanto potente è l’emissione reale della fonte
luminosa rispetto a quella che ci appare
dobbiamo conoscere la distanza di questa da
noi osservatori. Inoltre, supponendo che la luce
si diffonda uniformemente in tutte le direzioni
(ma già sappiamo, grazie alla relatività, che non
è proprio così) possiamo calcolare la potenza
totale emessa basandoci sul fatto che
l’intensità diminuisce in ragione del quadrato
della distanza. Interi libri sono stati dedicati al Figura 12 Celestial Season's Greetings (Hubble Space
problema della distanza. Se accettiamo la legge Telescope). La materia luminosa (stelle galassie e gas)
di Hubble, possiamo arrivare alla distanza di dell'Universo ne costituisce tutto il suo peso?
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Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
galassie lontane misurandone il Red Shift, grazie all’effetto Doppler. Le nostre incertezze crescono a
dismisura per il fatto che non siamo capaci di misurare la costante di Hubble (le miglior misure arrivano
ad un incertezza del 20%!!!). Esprimiamo questa incertezza col termine h, da moltiplicare ad valore fissato
H della costante. Osservando lo spettro si misura la velocità di recessione e con la legge di Hubble si
0
risale alla distanza. Questa tecnica viene integrata con una certa conoscenza sulle stelle che abbiamo
accumulato: osservandone il colore, la classe spettrale è possibile localizzare la stella nel diagramma HR.
Risaliamo quindi, almeno in modo approssimativo alla dimensione delle stelle, e quindi alla loro emissione
luminosa. Gli astronomi riescono quindi a prevedere le masse e le età relative delle stelle del diagramma
HR. Ciò ci permette di convertire “luce” in “massa” per quanto riguarda le stelle. Anche per le Galassie
possediamo una certa classificazione in base alla luminosità e quindi alla materia luminosa contenuta.
Dobbiamo però aggiungere un altro componente alla materia luminosa… Le stelle si formano per
aggregazione di gas diffuso negli spazi cosmici. Questo gas può talvolta essere talmente caldo da
emettere luce. Mettiamo ora tutto insieme: arriviamo finalmente ad una stima della materia luminosa
visibile in date lunghezze d’onda. Pare che in ogni volume di circa un milione di parsec (circa tre milioni di
“equivalente di luce medio”
anni luce) ci sia un di circa 200 h milioni di stelle luminose quanto il Sole. La
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