Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
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Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
Figura 1 Immagine di copertina. Nebulosa Carina, nascita di stelle (foto Hubble Space Telescope)
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Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
Liceo Scientifico Paolo Frisi, Monza
Anno scolastico 2006.07
Classe 5F
Tesina di
Davide Gerosa
Discipline coinvolte direttamente:
Fisica, Scienze e Matematica
con una piccola digressione filosofica
e citazioni letterarie e artistiche sparse
(italiane e inglesi)
De Chirico, Sole e Luna
Figura 2: secondo il pittore della Metafisica De Chirico l’arte ha il compito di purificare la natura. La materia naturale è oscura. L’artista (simboleggiato dalla sedia) la rende visibile tramite l’arte (il sole giallo è posto sul cavalletto). L’artista svela la bellezza delle cose.
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Do I dare Disturb the Universe? Davide Gerosa
La ricerca della materia oscura
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 grandi 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.
Utilizzerò un repertorio fotografico molto ampio. Davide Gerosa
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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
Falsificabilità 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
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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
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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, falsificabilità
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.
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La ricerca della materia oscura
Introduzione
Prime evidenze della materia oscura
C’è qualcosa che non va…
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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 maggiore della presumibile velocità con il brillante cuore
Figura 6 Ammasso della Chioma di Berenice (Hubble Space Telescope)
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.
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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 Berenice
stesso. Per una velocità di fuga di 1000 km/s la densità 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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La ricerca della materia oscura
Prima parte
Materia oscura nelle galassie
La materia oscura esiste davvero!
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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 problema della distanza. Se accettiamo la legge di Hubble, possiamo arrivare alla distanza di
Figura 12 Celestial Season's Greetings (Hubble Space Telescope). La materia luminosa (stelle galassie e gas) dell'Universo ne costituisce tutto il suo peso?
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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 grandi 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
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.
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Tutor AI: studia meglio e in meno tempo
