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Gli ingredienti ‘invisibili’ dell’Universo (parte 1)

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di Luciana Ziino 

Vi è mai capitato di pensare a quanto immenso sia l’Universo? A quante meraviglie possiamo osservare coi nostri occhi o con l’ausilio degli strumenti? Ebbene, tutto quello che vediamo e ammiriamo è solo una piccolissima frazione dell’Universo, che in gran parte è costituito da due ingredienti ‘invisibili’ chiamati materia oscura ed energia oscura. La prima rappresenta circa il 27% della massa-energia totale; la seconda il 68%. Rimane un misero 5% che corrisponde alla materia ordinaria, cioè quella a noi familiare che possiamo vedere e toccare.

Cosa si sa sulla materia oscura e sull’energia oscura? E perché è stato necessario ipotizzare la loro esistenza? Se volete scoprirlo, siete nel posto giusto!

Le percentuali dei costituenti del nostro Universo secondo il modello cosmologico standard: il 4.9% è costituito da materia ordinaria, il 26.8% da materia oscura, il 68.3% da energia oscura. Crediti: Istituto Nazionale Fisica Nucleare (INFN

Per trovare il primo utilizzo dell’espressione materia oscura dobbiamo risalire al 1906, quando il matematico francese Henri Poincarè, commentando un lavoro del famoso Lord Kelvin, parlò di “matière obscure”. Questo però non ci deve trarre in inganno: né Poincarè né Lord Kelvin avevano in mente il concetto di materia oscura che intendiamo oggi. Piuttosto discutevano della possibile esistenza di ‘corpi oscuri’, ovvero stelle che secondo il fisico britannico non erano visibili perché spente o perché troppo lontane.

La prima vera indicazione dell’esistenza di materia oscura arriva dallo studio della dinamica della nostra Galassia. Nel 1922 l’astronomo olandese Jacobus Kapteyn, analizzando il moto delle stelle nella Via Lattea, suggerisce la presenza di una materia invisibile che ha soltanto effetti sulla gravità. Dieci anni più tardi Jan Oort riprende il lavoro del suo maestro, arrivando alla conclusione che la densità delle stelle visibili non è sufficiente a spiegare la loro dinamica. Ancora una volta, ci deve essere qualcos’altro.

Siamo ormai negli anni trenta e l’interesse degli astronomi può spingersi ben più in là della Via Lattea. Nel 1933 Fritz Zwicky pubblica i risultati dei suoi studi sull’ammasso della Chioma, un aggregato di migliaia di galassie che si trova a circa 350 milioni di anni luce dalla Terra. Misurando lo spostamento Doppler della luce emessa da 8 galassie appartenenti all’ammasso, Zwicky determina valori di velocità molto più alti di quelli che ci si aspetterebbe dalla somma delle masse delle galassie. In altre parole, perché l’ammasso possa esistere, è necessario che ci sia altra massa a tenerlo insieme, una massa che però non è visibile, insomma una massa oscura. Queste le sue parole: “Se fosse confermato, otterremmo il risultato sorprendente che la materia oscura è presente in quantità molto maggiore della materia luminosa.” Successivamente, si sarebbe scoperto che una parte consistente degli ammassi è costituita da gas caldi che emettono nei raggi X, una componente che Zwicky non poteva conoscere, ma che non era sufficiente a spiegare le discrepanze da lui trovate.

Di fatto, le conclusioni a cui era arrivato l’astronomo, nonostante fossero davvero sorprendenti, furono ignorate dalla comunità scientifica e rimasero dimenticate per circa quarant’anni.

Vera Rubin nel 1974. Crediti: Archives & Special Collections, Vassar College Library.

Il concetto di materia oscura giunse alla ribalta solo negli anni ’70 grazie al lavoro e alle intuizioni di Vera Rubin. Nel 1964 la giovane astronoma del Carnegie Institute di Washington stava studiando, insieme al collega Kent Ford, i moti delle stelle nella galassia M31, meglio conosciuta come Andromeda. Poiché buona parte della massa di una galassia a spirale (quale è Andromeda) è racchiusa nel suo nucleo, ci si aspetterebbe che l’andamento delle velocità con cui orbitano le stelle nei bracci della galassia sia analogo a quello dei pianeti nel Sistema Solare. Questo perché a tenere insieme le stelle di una galassia è la stessa forza che fa orbitare i pianeti attorno al Sole, ovvero la forza di gravità che, secondo la Teoria di Gravitazione Universale sviluppata da Newton, aumenta al crescere delle masse in gioco e diminuisce all’aumentare della loro distanza. Dunque, così come la velocità di rivoluzione dei pianeti diminuisce man mano che ci si allontana dal Sole, anche la velocità con cui si muovono le stelle attorno al centro di una galassia dovrebbe decrescere man mano che ci si allontana dal nucleo. Questo pensavano di riscontrare Rubin e Ford, ma il risultato che trovarono era completamente diverso. La curva di rotazione di M31, ovvero il grafico della velocità delle stelle in funzione della loro distanza dal centro, mostrava un andamento a dir poco anomalo, quasi piatto, che si discostava totalmente da quello atteso sulla base della teoria. Misure analoghe vennero fatte su altre galassie e il risultato fu sorprendentemente sempre lo stesso. Che cosa causava l’anomalia? Come facevano le galassie a esistere con stelle che sfrecciavano a quelle velocità?

Curva di rotazione di una galassia a spirale tipica. La curva gialla rappresenta l’andamento previsto dalla Legge di Gravitazione Newtoniana; la curva bianca rappresenta l’andamento misurato sperimentalmente. Crediti: Coelum Astronomia

Vera Rubin capì che le galassie dovevano essere circondate da un alone di materia diffusa, una materia però invisibile, che interagiva soltanto gravitazionalmente. Ecco che il concetto di materia oscura ritornava, per essere finalmente accettato da buona parte della comunità scientifica e diventare nel decennio successivo la base del modello cosmologico.

Tuttavia, non tutti erano d’accordo sulla necessità di introdurre un nuovo tipo di materia per spiegare le forti anomalie trovate. Piuttosto ritenevano che fosse la Teoria della Gravità da modificare; un po’ come quando nell’800 si era ipotizzata l’esistenza del pianeta Vulcano per spiegare le stranezze dell’orbita di Mercurio, ma poi si era visto che questo pianeta non esisteva affatto ed era la gravità Newtoniana da correggere tenendo conto degli effetti della Relatività Generale.

Una delle più note di queste teorie è la cosiddetta MOND, acronimo che sta per MOdified Newtonian Dynamics, ipotizzata nel 1983 per risolvere il problema delle curve di rotazione delle galassie a spirale: secondo il fisico israeliano Mordehai Milgrom, che per primo l’ha proposta, ad accelerazioni inferiori a un certo valore critico la teoria di gravitazione newtoniana come noi la conosciamo non sarebbe più valida. Se nel Sistema Solare la forza di gravità decresce come l’inverso del quadrato della distanza, nelle regioni più esterne delle galassie, diminuirebbe come l’inverso della distanza, quindi più lentamente, impedendo alle stelle distanti dal nucleo di abbandonare la loro casa.

Curva di rotazione della galassia NGC 6946: confronto delle predizioni della dinamica Newtoniana e di MOND con le osservazioni. Crediti: Istituto Nazionale Fisica Nucleare (INFN)

Sebbene il dibattito continui, le osservazioni successive hanno fatto tendere la bilancia verso l’ipotesi dell’esistenza della materia oscura. Tra le prove più significative c’è lo studio del cosiddetto Bullet Cluster, una coppia di ammassi di galassie, che ha la particolarità di avere la componente stellare completamente separata della componente gassosa. I due ammassi, infatti, circa 150 milioni di anni fa hanno iniziato a fondersi, con l’ammasso più piccolo che è penetrato in quello più grande. In questo processo la materia ‘non collisionale’, costituita dalle stelle, non ha trovato resistenza (per cui le stelle di un ammasso si sono mescolate pacificamente con le stelle dell’altro); invece, la materia ‘collisionale’, costituita dal gas, è avanzata con difficoltà a causa dell’attrito. Il risultato di questo processo è stato un netto disaccoppiamento tra la materia stellare e quella gassosa, disaccoppiamento facilmente osservabile perché il gas, diversamente dalle stelle, emette soprattutto nei raggi X.

Nei primi anni del nuovo millennio è stato studiato l’effetto che questo ammasso doppio ha sulla luce delle galassie di sfondo. Infatti, come tutti gli oggetti massicci, anche il Bullet Cluster si comporta da lente gravitazionale, un fenomeno previsto da Einstein e poi confermato dalle osservazioni. Secondo la Relatività Generale, la deformazione dello spazio-tempo indotta da una massa è in grado di piegare la luce. La distorsione della luce da parte di un oggetto massivo posto tra noi e una sorgente può determinare effetti analoghi a quelli di una lente, come l’aumento della luminosità della sorgente, o lo sdoppiamento dell’immagine, o la deformazione dell’oggetto originale.

Ebbene, l’effetto di lente gravitazionale dovuto al Bullet Cluster ha rivelato una concentrazione di massa anomala in corrispondenza della componente stellare, sebbene la componente di gran lunga più massiccia dovrebbe essere quella gassosa. Le stelle da sole non sono in grado di spiegare il lensing gravitazionale osservato e, per questo motivo, i ricercatori hanno ipotizzato che l’effetto sia dovuto a materia oscura in grande quantità, che, essendo non collisionale come le stelle, è rimasta mischiata a loro nel processo di fusione tra i due ammassi. Per una teoria di gravità modificata sarebbe invece ben più difficile spiegare un simile fenomeno. Per questo il caso del Bullet Cluster rappresenta un pesante indizio a favore dell’esistenza della materia oscura.

Immagine composita del Bullet Cluster: le galassie in arancione e bianco sullo sfondo sono state riprese in luce visibile dal telescopio Magellano e dal telescopio spaziale Hubble; il gas caldo (rosa), che contiene la maggior parte della materia ordinaria nell’ammasso, è mostrato dall’immagine a raggi X di Chandra; il lensing gravitazionale, cioè la distorsione delle immagini di sfondo da parte dell’ammasso, rivela che la massa del Bullet Cluster è dominata dalla materia oscura (blu), una forma di materia molto abbondante nell’Universo e con proprietà diverse rispetto alla materia ordinaria.

Ma se questa misteriosa materia esiste, che caratteristiche ha e come possiamo rivelarla? L’idea è che la materia oscura sia costituita, come la materia ordinaria, da particelle elementari. Queste particelle devono essere prive di carica elettrica, perché non emettono radiazione elettromagnetica; stabili, perché non devono decadere, se non in modo estremamente lento; e massive, perché devono interagire gravitazionalmente.

Come vedete, si tratta di caratteristiche piuttosto generiche che rendono la ricerca di materia oscura molto difficile. Lo spettro di potenziali candidati è vastissimo e non è possibile costruire un esperimento ad hoc in grado di verificare tutte le possibili alternative. Come si procede allora?

Essenzialmente esistono tre modi per ricercare la materia oscura: si può tentare di produrla all’interno degli acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider del CERN; oppure, si può cercare di rivelarla in modo diretto all’interno di laboratori sotterranei, dove il rumore ambientale è schermato (un esempio di importanza mondiale sono i Laboratori Nazionali del Gran Sasso); o, infine, si possono cercare effetti indiretti, come la produzione di fotoni o di raggi cosmici, riconducibili ad interazioni tra particelle di materia oscura, e questo tipo di ricerca viene generalmente fatta dallo spazio.

Nonostante i grandi sforzi compiuti, la ricerca di materia oscura non ha ancora dato i risultati sperati. Difficile prevedere se e quando assisteremo a questa scoperta. Di sicuro la caccia è aperta e continua con mezzi sempre più potenti.

Tutto questo per quanto riguarda il 27% dell’universo. Ma per completare la ricetta ci vuole un altro ingrediente, che abbiamo citato all’inizio: l’energia oscura. Se volete conoscere tutti i dettagli della scoperta che ha portato a ipotizzare l’esistenza di questa misteriosa forma di energia, leggete il prossimo articolo!