Che cos'è la Materia Oscura ?
La nascita della Materia Oscura e’ profondamente legata ai grandi progressi fatti in Cosmologia, la branca della Fisica che studia la nascita e l’evoluzione del nostro Universo. Fino alla prima metà del 1900 si credeva che la quasi totalità della massa dell'Universo risiedesse nelle stelle; oggi invece sappiamo che queste costituiscono soltanto una percentuale irrisoria della materia cosmica (circa il 4%). La restante parte della massa dell’Universo non è visibile e a tale massa mancante si dà appunto il nome di Materia Oscura.
Gli scienziati, inoltre, pensano che accanto alla Materia Oscura esista una particolare forma di energia (nota come Energia Oscura), la quale, secondo il principio di equivalenza di Einstein (E = mc2), è in grado di dar conto della maggior parte della massa dell’Universo.
Quali sono le osservazioni sperimentali che hanno portato alla formulazione del problema della Materia Oscura?
Sono state le osservazioni di stelle, galassie e ammassi di galassie da parte di astronomi e astrofisici a far nascere l’idea che l’Universo avesse molta più massa di quella visibile.
Le galassie sono costituite da un nucleo molto luminoso e massiccio attorno al quale ruotano le altre stelle, distribuite in maniera tale che la loro concentrazione diminuisce man mano che ci si allontana dal nucleo galattico (Figura 1). Dalla legge di gravitazione universale di Newton si ricava che in un sistema gravitazionale come quello di una galassia, la velocità delle stelle che si trovano nella regione esterna al nucleo deve decrescere all’aumentare della distanza. Al contrario, le osservazioni effettuate su centinaia di galassie hanno dimostrato che la velocità delle stelle anche lontane dal nucleo era molto maggiore di quella attesa e inoltre non diminuiva con la distanza (Figura 2). Questo può essere spiegato solo se si assume che la galassia contenga della materia invisibile e non concentrata nel nucleo, la cui attrazione gravitazionale è responsabile del moto delle stelle.
Figura 1: La Galassia spirale M83.
Figura 2: La curva di rotazione di una galassia spirale misurata sperimentalemente.
Le galassie inoltre, sotto l’influsso della mutua interazione gravitazionale, tendono a formare degli agglomerati noti come ammassi di galassie (Figura 3). Sempre utilizzando la legge di Newton siamo in grado di determinare quale deve essere il moto relativo di ciascuna galassia di un ammasso, mediante la conoscenza della massa totale del sistema, cioè la somma delle masse delle galassie che lo compongono. Anche in questo caso, osservazioni sperimentali di un gran numero di ammassi hanno dimostrato che le velocità delle galassie erano anche 400 volte maggiori di quelle calcolate, il che indicava che l’ammasso era molto più “pesante” di quanto non sembrasse.
Figura 3: Un ammasso di galassie.
Negli ultimi anni, i risultati di diversi esperimenti hanno portato alla scoperta che il nostro Universo è piatto, ovvero che la sua curvatura spazio-temporale è nulla. Questo comporta che la densità di massa totale dell’Universo debba essere uguale a un valore noto, detto Densità Critica e pari circa a 10-30 g/cm3. La massa luminosa dell’Universo, però, non basta a dare questo valore di densità. E’ nuovamente necessario ipotizzare che la maggior parte della massa dell’Universo sia invisibile e presente sotto forme diverse dalla materia ordinaria che siamo abituati a considerare.
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Poster 1: La Materia Oscura (clicca per ingrandire).
Di cosa e’ fatta la Materia Oscura?
La natura della materia oscura è ancora sconosciuta. Essa può avere varie componenti: una di tipo barionico (materia "ordinaria", cioè fatta da atomi) e una, più “esotica”, di tipo non barionico.
La componente barionica, costituita da oggetti massicci ma non luminosi, può essere costituita da pianeti, nane bianche (stelle che hanno finito di bruciare), nane brune (stelle che non hanno mai cominciato a bruciare), stelle di neutroni e buchi neri.
Questi oggetti vanno sotto il nome di MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects = Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) ed emettono per loro natura una quantità di luce troppo scarsa per poter essere rivelati. Esiste però un diverso sistema di rivelazione di questi oggetti, basato su un effetto detto lente gravitazionale.
La Materia Oscura non barionica, che prima abbiamo chiamato “esotica”, non e’ costituita da oggetti compatti ma da particelle. Queste particelle, note con il nome di WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles = particelle massive debolmente interagenti), sono molto massive (100 volte più pesanti di un protone o più), ma interagiscono pochissimo con la materia, ancor meno dei neutrini.
Esse vagherebbero nel Cosmo, addensandosi in prossimità delle galassie a causa dell’attrazione gravitazionale. I fisici ritengono che le WIMPs altro non siano che delle particelle previste da alcune teorie (per esempio la supersimmetria), ma non ancora osservate neanche nei più potenti acceleratori.
E l’Energia Oscura?
La cosiddetta “Energia Oscura” (Dark Energy, DE) rappresenta la componente più rilevante del nostro Universo. Secondo le più recenti osservazioni sperimentali, essa sembra costituire il 70% della densità dell’Universo.
Negli anni trenta Einstein, nel formulare la sue teoria della relatività generale, introdusse una costante, che egli stesso chiamò “costante cosmologica”. Tale quantità rappresenta in maniera semplificata l’energia che si può associare allo spazio vuoto e quindi è presente in ogni parte dell’Universo.
Einstein introdusse la costante cosmologica per fare in modo che la sua teoria descrivesse un Universo statico (come al tempo si pensava che fosse). Quando si scoprì che l’Universo era invece in espansione, egli riscrisse le sue equazioni senza la costante cosmologica, definendola “il suo più grande sbaglio”, ma senza sapere che in un futuro non troppo lontano essa sarebbe stata ripresa in considerazione.
La particolarità dell’energia oscura è che essa agisce come una gravità negativa, ovvero tende a far espandere l’Universo e si contrappone alla decelerazione dovuta all’attrazione gravitazionale della materia ordinaria e della materia oscura.
Quello dell’Energia Oscura è un campo ancora molto poco chiaro ma allo stesso tempo intrigante e studiato da un gran numero di cosmologi. Osservazioni sperimentali possono essere eseguite in maniera indiretta per determinare la concentrazione di Energia Oscura: la sua esistenza infatti, determinerebbe una accelerazione nell’espansione dell’Universo che può essere rivelata osservando sorgenti di luce molto intense e molto distanti dalla Terra, come le supernovae lontane.
Come si rivela la Materia Oscura?
La rivelazione della Materia Oscura non barionica, cioè sotto forma di particelle (WIMPs) è estremamente difficile a causa della loro debolissima interazione con la materia.
Per poter rivelare la presenza di una particella WIMP è necessario che essa interagisca in qualche modo con il nostro strumento di misura, dando un segnale. Purtroppo queste interazioni sono molto rare (ancora più rare delle interazioni dei neutrini). Per di più il segnale che otteniamo è difficilmente distinguibile da quello di altre particelle (elettroni, fotoni e soprattutto neutroni).
Esiste però un modo di rivelare le particelle WIMP basato sul cosiddetto effetto di “modulazione annuale”. Le WIMPs che si trovano nell'alone galattico investono la Terra con un flusso maggiore in estate (quando la velocità di rivoluzione della Terra si somma a quella del sistema solare nella galassia) e minore in inverno (quando le due velocità sono in direzioni opposte). Ci aspettiamo, quindi, che il numero di segnali di WIMP che contiamo sia massimo in estate (giugno) e minimo in inverno (dicembre). Su questo metodo di rivelazione si basano gli esperimenti dei LNGS DAMA/LIBRA, unici al mondo in grado di osservare questa modulazione.
Un esperimento che voglia rivelare le particelle WIMP deve essere necessariamente allestito in un laboratorio sotterraneo, dove solo particelle che interagiscono molto poco possono giungere e la presenza di altre particelle che possono disturbare le misure e costituire un rumore di fondo è ridotta al
minimo (vedi Poster 1).
Figura 4: Un esempio di lente gravitazionale nell'ammasso Abell 2218.
Note:
- Lente
gravitazionale: Immaginiamo che lo spazio sia come un lenzuolo esteso e ben tirato alle estremità. Se mettiamo sul lenzuolo una pallina di piombo molto pesante esso tende a deformarsi in corrispondenza del punto di contatto. Analogamente, nell’Universo, lo spazio si incurva in presenza di oggetti molto pesanti. Quando osserviamo nello spazio degli oggetti luminosi distanti da noi, le immagini di questi oggetti possono essere deviate e deformate se fra loro e noi si frappone un oggetto di massa molto elevata, come una galassia od un ammasso di galassie (Figura
4). Questo effetto, chiamato “lente gravitazionale”, avviene perché la curvatura dello spazio dovuta alla galassia o all’ammasso (la stessa che si presenta in corrispondenza della pallina di piombo) può provocare la deviazione della traiettoria della luce.
Se osserviamo una sorgente luminosa e un oggetto massivo (MACHO) si frappone fra noi e la sorgente, il fenomeno a cui assistiamo è chiamato microlente (microlensing), perché la massa del MACHO non è grande abbastanza da creare una lente gravitazionale. Il fenomeno è molto simile a quello di una lente gravitazionale, solo che le varie immagini sdoppiate non sono rilevabili perché troppo vicine. Ne consegue che non potendo osservare più immagini separate, le vedremo tutte assieme, con un conseguente incremento di luminosità dell’oggetto che stiamo osservando. Questo aumento di luminosità è legato alla massa del MACHO.
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