Spazio e galassie

La verità assoluta

Fisica e geografia astronomica

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Al livello scientifico è facile trovare incongruenze e linee parallele di pensiero, senza con ciò intendere opposte…. Semplicemente diverse.

Uno dei campi più discussi resta ormai da tempo “lo spazio”, anche perché aver chiara la sua origine e la sua struttura sarebbe un po’ “quid” come trovare il dell’esistenza.

Le leggi che ordinano l’ambiente intorno alla Terra è chiaro da tempo che siano le stesse che ne dominano l’interno… ma se non fosse così? Se le affermatissime leggi di Newton e di Einstein in realtà risultassero discutibili?

Queste domande sono il cardine sul quale mi propongo di far ruotare l’asse che divide due teorie parallele sulla via della spiegazione del moto galattico, il quale, pur inglobandoci, sembra non avere le stesse nostre dinamiche di movimento.

Materia

Il modello di concordanza prevede la così detta Oscura e basa le sue convinzioni sulla teoria newtoniana e quindi sull’assoluta giustizia della legge di gravitazione universale.

Nel cosmo esistono moltissime galassie che nella maggior parte dei casi non si presentano distribuite in modo isolato l’una dalle altre, ma sono disposte in strutture più grandi che ne contengono anche numerose in uno spazio che possiamo definire ristretto.

Le galassie sono divise in tre grandi famiglie:

Galassie a spirale

Galassie a spirale: sono caratterizzate da una struttura che mostra un disco piatto e sottile, nel quale sono localizzate la maggior parte delle stelle, disposte in uno dei tanti bracci a spirale che si avvolgono attorno ad una zona bulge.

luminosa centrale detta A seconda del grado di avvolgimento dei bracci, le spirali sono suddivise in tre categorie:

• Bracci strettamente ripiegati (Sa); ((IMMAGINE A))
• Bracci ampi e non addossati al nucleo (Sc); ((IMMAGINE B))
• Caratteristiche intermedie (Sb); 2

Spirali barrate (SB) → classe a parte, caratterizzata dalla presenza di una barra luminosa di stelle che attraversa il nucleo e dalla quale sembrano dipartirsi i bracci. ((IMMAGINE C))

Complessivamente quelle a spirale rappresentano circa il 61% delle galassie osservabili e sono costituite da stelle di giovane formazione nei bracci e da stelle vecchie nel nucleo e nell’alone più esterno.

Galassie lenticolari

Galassie lenticolari: quando osservate lateralmente sembrano simili a due lenti convesse sovrapposte. Possono essere:

• Ad una barra (SBO); ((IMMAGINE D))
• Prive di barre (SO). bulge

Come le galassie a spirale, hanno un centrale luminoso, che si presenta poco schiacciato, ed un disco meno importante rispetto alle spirali. Hanno un debole alone diffuso e rappresentano il 22% delle galassie osservabili, sono in continua crescita poiché sono colme di materia interstellare e di gas, che favoriscono la formazione di nuova stelle.

Galassie ellittiche

Galassie ellittiche: hanno stelle distribuite secondo una simmetria regolare, essenzialmente sferica. Si dividono in sette gruppi, codificati da un numero da 0 a 7:

• L’estremo inferiore, galassie praticamente sferiche (E0);

((IMMAGINE E))

• L’estremo superiore, galassie più allungate, “a sigaro” (E7).

((IMMAGINE F))

Sono presenti soprattutto stelle vecchie, che conferiscono colore rosso all’intera galassia. La materia interstellare è praticamente assente, quindi non si ha formazione di nuove stelle. Rappresentano il 13% delle galassie osservabili.

Galassie irregolari

Galassie irregolari: non hanno una forma classificabile e caratteristiche comuni, si può dire però che abbiano tutte una massa ridotta, poiché potrebbero essere satelliti di galassie maggiori. Sono solitamente ricche di materia interstellare e per ciò presentano stelle giovani. ((IMMAGINE G e G))

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Si possono trovare galassie molto vicine, che sembrano in qualche modo interagire gravitazionalmente tra loro. La diversità tra ellittiche e spirali viene oggi interpretata anche sulla base della fusione tra galassie, merging.

teoria della conosciuta come Secondo questa ipotesi, alcune galassie ellittiche si sono formate per fusione di due o più galassie, anche di tipo a spirale.

Si può avere anche un evento violento, come un incontro molto ravvicinato o addirittura una compenetrazione tra galassie o un attraversamento (come nel caso del Bullet-Cluster del quale parleremo più avanti), ((IMMAGINE H)) questo provoca in una o in entrambe le galassie coinvolte un’onda di forza mareale.

Se l’onda si propaga fino ad una zona ricca di gas, come ad esempio nel disco delle galassie a spirale, provoca una compressione immediata e contemporanea di quantità notevoli di gas. Questo materiale va subito a formare nuove stelle, bruciando in brevissimo tempo anziché in miliardi di anni.

Il risultato di un’interazione violenta è quindi in molti casi un invecchiamento precoce della galassia, che consuma tutto, o quasi, il suo serbatoio di gas in un ultimo, spettacolare, fuoco d’artificio celeste. ((IMMAGINE I)) bolle vuote,

L’Universo sembra essere costituito da grandi bolle vuote, intersecate tra loro, che gli conferiscono l’aspetto di una grande spugna. ((IMMAGINE L))

In questo contesto le galassie tendono ad ammassi e superammassi aggregarsi in ed a distribuirsi sulle pareti delle bolle, formando lunghissime strutture filamentose.

Il modello di concordanza, come vedremo, mira a dimostrare che all’interno di queste bolle sia presente materia oscura.

A causa della forza di attrazione gravitazionale, le galassie all’interno di uno stesso ammasso si muovono con una loro propria velocità di dispersione.

velocità, cosiddetta In un ammasso questa diminuisce all’aumentare dal centro (inteso centro di massa, quindi come quel punto di un sistema orbitante dove si può considerare concentrata tutta la massa ai fini dei calcoli della forza gravitazionale) dell’ammasso stesso.

La misura della velocità di dispersione permette di valutare la massa complessiva di un ammasso. Infatti si può applicare una semplice relazione nota come teorema del viriale, secondo la quale:

2

v ∙ r

= (eq

M .1)

G 4

Dove “v” è la velocità di dispersione, “r” la dimensione caratteristica dell’ammasso e “G” la costante di gravitazione universale pari a 6,67 ∙ 10^-11 Nm²/kg².

L’idea alla base di questa relazione è semplice: negli ammassi le galassie si muovono perché sono accelerate dalla forza gravitazionale totale che subiscono da ogni atomo presente nell’ammasso.

Quindi maggiore è la massa dell’ammasso, maggiori sono la forza di gravità e la velocità con la quale le galassie si muovono nelle loro orbite.

Studiando i valori di queste velocità, gli studiosi hanno stabilito che sono troppo alti, di circa un fattore da 10 a 100 volte superiore, rispetto a quelli che si otterrebbero se la massa dell’ammasso fosse solo quella visibile.

Ne consegue che deve esistere un quantitativo di materia non visibile, quindi non barionica, ma “attiva” gravitazionalmente che giustifichi quei valori di velocità misurati, adatti a contrastare la forza centrifuga, che altrimenti farebbe disgregare le galassie.

A tal proposito si sono fatte molte ipotesi ma nessuna ancora ha trovato reale riscontro: un mare di neutrini o particelle ancora non scoperte come monopoli magnetici, particelle supermassicce, tutte accomunate dal fatto di interagire solo gravitazionalmente con la comune materia e generalmente chiamate WIMP (Weakly Interacting Massive Particles: particelle massive debolmente interagenti).

Si può vedere che secondo la seconda legge di Newton la forza che agisce su un corpo di massa “m” è direttamente proporzionale all’accelerazione “a”: F = m ∙ a

Ora, se la forza che agisce sui corpi materiali è quella gravitazionale:

( ) = m ( )

F forzadi gravit à ∙ a eq.3

mM mM

(eq = m

F = G .4) G ∙ a

Quindi, essendo: allora:

2 2

r r

M = a (eq. 5)

G

Da qui si deduce che: 2

r

Sostituendo ora alla “M” dell’equazione così ottenuta, il teorema del viriale: 2 2

v ∙ r v (eq

a = G quindi: a = .6)

2 r

r ∙ G 5

Ora eguagliando l’equazione 5 con l’equazione 6 si ha:

√

2

v M M

= G = (eq

quindi: v G ∙ r .7)

2 2

r r r

Essendo la fonte di materia attrattiva “M” aggregata nel centro di massa, essa rimane qui costante e contemporaneamente avrà distanza “r” minore, quindi la massa “m” di una galassia dell’ammasso, nel centro di massa ruoterà con un velocità maggiore; mentre all’aumentare della distanza dalla fonte attrattiva, rimanendo comunque costante M, si dovrebbe avere un velocità sempre minore; cosa che invece non si verifica in nessun ammasso o superammasso.

Questo avviene tanto per le galassie in un ammasso, tanto per le stelle all’interno di una data galassia.

In contrasto, invece, con quanto succede, in accordo con la legge di gravitazione universale, nel sistema solare, nel quale i pianeti più esterni girano più lentamente di quelli interni. ((IMMAGINE M))

Per studiare meglio questo comportamento anomalo, gli scienziati hanno costruito delle delle curve di rotazione delle galassie, quindi dei grafici in cui sono rappresentate le velocità orbitali delle stelle attorno al centro galattico, in funzione della distanza dal centro stesso.

Tali grafici non coincidono assolutamente con i grafici ideali, costruiti secondo le leggi della dinamica newtoniana. ((IMMAGINI N e O IN PARALLELO))

Nelle galassie a spirale dove si nota questo fatto anomalo, e quindi da una certa distanza dal centro in poi, la velocità delle stelle non diminuisce progressivamente, ma rimane costante, si è arrivati ad inserire la materia oscura.

Tale viene chiamata la materia che dovrebbe servire a coadiuvare la massa attrattiva M, in modo che dividendo quest’ultima per la crescente distanza “r”, si arrivi ad avere sempre la stessa velocità ed impedirne la diminuzione.

Possiamo definire, quindi, la materia oscura come la “x” per la quale sia verificata l’equazione: 6

+

M X M

= G

G 2 2

R r

Considerando la distanza “R” maggiore della distanza “r”.

Tale “modello di concordanza” fu lanciato dal fisico Fritz Zwicky nel 1933, egli, misurando la velocità di dispersione delle galassie nell’ammasso di Coma, si accorse che questa era dieci volte superiore al previsto, il che l’avrebbe dovuta disgregare; se questo non avveniva doveva, quindi, essere presente una quantità significante di materia nuova contribuente ad aumentare a tal punto la forza di gravità, da permettere una rotazione così veloce.

A questa materia fu dato per la prima volta il nome di materia oscura, poiché non era né visibile, né poteva essere antimateria, altrimenti si avrebbe assistito a fenomeni di annichilamento per gli scontri tra materia ed antimateria, con conseguente rilascio di enormi quantità di fotoni e quindi di luce; cosa assolutamente non rilevata.

Colui che, però, arrivò quasi a dimostrare empiricamente la “dark matter” (DM), fu il fisico americano Dauglas Clowe, studiando l’ammasso di galassie 1E0657-56, quindi nient’altro che il fenomeno Bullet-Cluster accennato in precedenza.

Clowe volle provare che l’ammasso era diviso in due componenti:

• Componente stellare-galattica “collisionless” → non interagente e oscura;
• Componente di gas caldo → che interagendo ha generato la tipica emissione a pallottola di due fluidi che collidono l’uno dentro l’altro. ((IMMAGINI DEL PASSAGGIO P))

Il modello 1E0657-56 è un ammasso doppio, costituito dalla parte est contenete almeno 30 volte più galassie della parte ovest, tali blocchi distano tra loro non moltissimo, circa 3,4 miliardi di anni-luce.

Le osservazioni nella banda X (lunghezza d’onda ottimale per studiare la distribuzione del gas caldo intergalattico), hanno rilevato che l’emissione X proviene principalmente da due caldissime e distanti regioni non coincidenti con quelle degli ammassi e situate in posizioni intermedie tra gli stessi.

L’emissione corrispondente all’ammasso più piccolo ha una forma ogivale, come se il gas fosse stato frenato nell’attraversamento di un mezzo denso, quindi ciò che si osserva deriva da una collisione.