CON IL TELESCOPIO SPAZIALE HUBBLE SI CENSISCE LA MATERIA OSCURA

dark _matter_mapDARK MATTER MAP

Il telescopio spaziale Hubble (tutti lo conosciamo, è un telescopio spaziale, posto negli strati esterni dell’atmosfera terrestre, che orbita intorno al nostro pianeta ad una altezza di circa 560 chilometri, che venne lancaito in orbita con lo space- shuttle “Discovery” nell’aprile del 1990 come progetto comune Nasa-Esa, capace di arrivare ad una risoluzione angolare superiore ad un decimo di secondo d’arco, capace cioe’ di inquadrare praticamente un puntino nel cielo e farci vedere bene cosa c’e fra stelle, galassie e nebulose, regalandoci immagini stupende del cosmo) ha infatti iniziato una campagna di osservazione denominata “Clash”, sigla che sta per “Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble” che studierà venticinque ammassi di galassie (ammassi di galassie, non galassie singole, ammassi che contengono decine di galassie) con lo scopo di costruire mappe il piu’ possibile dettagliate, mai realizzate prima, della distribuzione della cosiddetta materia oscura che da sola costituisce ben il 25% dell’universo; il restante 75 % è costituito ^quasi esclusivamente di energia oscura, all’universo visibile che consociamo, le notti stellate, resta solo il 5%!!

Queste osservazioni e la mappatura della materia oscura possono poi venire usate per verificare dei risultati precedenti che portano ad ipotizzare che la materia oscura all’interno di questi ammassi di galassie sia molto più densa di quanto previsto dai modelli attuali. Questo, se confermato, implicherebbe che gli stessi ammassi di galassie si sono formati prima di quanto comunemente si ritenga , per via delle maggiori forze gravitazionali in gioco. Fra i primi “bersagli” di questa campagna di studio e di osservazione, nella notizia sono indicati essere i seguenti, chiamati con le sigle “MACS J1206.2-0847” (galassie ed ammassi di galassie hanno nomi simili a codici fiscali…).

La “mappatura” e le osservazioni, ovviamente indirette, della materia oscura, vengono fatte sfruttando un principio ben noto a chi ha una certa familiarità con la teoria della relatività generale di Einstein, quello della “lente gravitazionale”. Un campo gravitazionale intenso si comporta infatti come una lente-persino il Sole fa deflettere la luce proprio come fa una lente-, e succede che gli ammassi come ““MACS J1206” ad esempio sono effettivamente dei laboratori ideali per lo studio degli effetti gravitazionali della materia oscura, le galassie piu’ distanti appaiono distorte proprio perche’ la luce che emettono viene deviata, o deflessa, dalla forza di gravità della materia oscura. Gli ammassi di galassie sono le strutture piu’ massicce dell’universo che abbiano un “legame gravitazionale” tale da tenere insieme le loro “parti”, ossia le galassie stesse. Ammassi di questa portata agiscono come delle potenti lenti-di Eistein- amlificando, distorcendo e “piegando” ogni luce che vi passi vicino o che li attraversi. Da questo “effetto lente gravitazionale” si raccoglieranno dei dati che verranno raccolti tramite il telescopio Hubble (rammento che si tratta di un telescopio ^ottico) e che saranno completati da quelli del VLT-Very Large Telescope- dell’Osservatorio Europeo Mondiale che e’ impegnato in osservazioni spettroscopiche ((la spettroscopia è infatti il metodo di osservazione di frequenze radio assorbite od emesse da determinati materiali costituenti oggetti astronomici come stelle o galassie..)per avere nuove informazioni sulle galassie di un ammasso, fra cui distanze e composizione chimica dello stesso. Fin qui, la notizia.

MA CHE COSA E’ LA MATERIA OSCURA?

Davvero una denominazione “oscura”, ma adatta, per questa strana “parente” della materia ordinaria. Cosa è questa materia oscura? Partiamo proprio da questa denominazione. Perché’ questa materia strana viene definita come oscura? Luce visibile, raggi gamma, raggi X, onde radio, sono il “linguaggio” attraverso il quale la materia nell’universo che conosciamo si rivela a noi. La materia ordinaria, in una parola, si vede, e non soltanto in senso metaforico. Il Sole, la Luna, le stelle, sono osservabili direttamente dai nostri occhi. E’ la luce della materia sparsa nel cosmo, stelle ed ammassi di stelle che sono come granelli di un pulviscolo luminoso raggruppato in “nugoli” che noi chiamiamo “le galassie”. La materia oscura è così chiamata perché proprio non la si può vedere. Non assorbe né emette luce, né sembra emettere onde elettromagnetiche neppure alle altre frequenze- la luce visibile è anch’essa fatta di onde elettromagnetiche-, non è dunque direttamente osservabile. Da cosa è stata dedotta, allora, la sua presenza?

Il concetto di materia oscura è maturato in seno al mondo scientifico in considerazione dello stato attuale della cosmologia basata sulla teoria maggiormente accreditata, quella del Big Bang (grande esplosione). Non si riusciva a comprendere come si sono formati gli ammassi di galassie nel tempo trascorso dall’evento iniziale, l’inizio della espansione dell’universo; né ci si spiegava come le galassie si possano mantenere integre e stabili anche se la materia visibile non è in grado di generare una sufficiente forza gravitazionale di attrazione reciproca fra le stelle che le compongono.

Nonostante le dettagliate mappe dell’universo vicino, che abbracciano tutto lo spettro elettromagnetico dalle onde radio ai raggi gamma, gli astronomi hanno individuato solamente un decimo della sua massa. Per gli scienziati era una situazione alquanto strana non riuscire ad individuare i nove decimi della massa dell’universo. Ecco che, in questo quadro, si è imposto il concetto di materia oscura, concetto che tra le altre cose trova senso solo nel contesto del cosiddetto “modello standard” dell’universo, un modello cioè che descrive tre delle forze fondamentali conosciute che, insieme alla forza gravitazionale fanno esistere l’universo e che sono la forza nucleare forte, la forza elettromagnetica e la cosiddetta “interazione debole”, e tutte le particelle elementari ad esse collegate; mentre a questo modello sfugge ancora la quarta forza fondamentale, quella gravitazionale, nel senso che non c’è ancora la prova sperimentale delle particelle mediatrici di tale forza, i gravitoni.

Le più recenti stime indicano che questa materia oscura costituisce forse l’85% circa della massa totale dell’universo e circa il 26% dell’energia! La materia oscura veniva prima indicata come “massa mancante”, pur se effettivamente esiste della materia osservabile grazie agli effetti gravitazionali. La gravità è prodotta dalla massa, pertanto esiste della materia “in più” che non emana onde elettromagnetiche e che dunque non è visibile con la luce, né rilevabile da strumenti che di questa si servono. Da questo deriva appunto l’aggettivo “oscura” affiancato al sostantivo “materia” perché di qualche forma di materia si deve trattare, essendo dotata di massa (è la massa, qualunque massa, dal Sole ad un protone, a generare quella “piegatura dello spazio” che chiamiamo “gravità” e familiarmente “la forza di gravità”).

Il termine usato all’inizio, “massa mancante”, confondeva un po’ le idee, poiché non è la massa a mancare ma solo la radiazione elettromagnetica (luce “visibile”, onde radio, raggi X e gamma..), ecco che divenne un termine d’uso l’espressione “materia oscura” per indicare questa misteriosa sostanza invisibile, ma presente.

Gli scienziati hanno effettuato delle accurate osservazioni sulle velocità orbitali di stelle situate nelle estreme regioni periferiche di un certo numero di galassie a spirale (la galassia Andromeda e la nostra galassia sono due galassie a spirale) ed hanno scoperto che in nessun caso queste stelle obbedivano alla terza legge di Keplero ( secondo la quale un corpo celeste orbita tanto più lenemente intorno ad un “centro di massa” quanto più dista da questo). Invece di diminuire, a grandi distanze le velocità orbitali delle stelle erano costanti, cosa non giustificabile quindi con la sola “massa evidente”, cioè di quella rappresentata della materia osservabile con i telescopi e radiotelescopi e cioè stelle, galassie, nebulose. Anzi, la “massa invisibile “-la chiamo così..- compresa dentro orbite di raggio via via più grande, risulta sempre maggiore .

Prendendo in considerazione la velocità orbitale media delle stelle che si trovano nelle estreme regioni esterne di una galassia, velocità che è di circa 200 chilometri al secondo, risulta che se la galassia fosse composta solo della materia visibile queste stelle sfuggirebbero alla attrazione gravitazionale della galassia in breve tempo, perché tale velocità è di gran lunga superiore alla velocità di fuga (che è la velocità minima alla quale un corpo deve muoversi per vincere l’attrazione gravitazionale e quindi “fuggire”) della galassia stessa. Poiché non sono state osservate delle galassie che si “sfaldano” in questo modo, con le stelle che fuggono via dal suo campo gravitazionale, si ritiene che al loro interno debba trovarsi una massa non quantificabile sommando tutte le parti visibili di una galassia. Materia oscura, dunque. Ma cos’è, in sostanza- è proprio il caso di usare questa parola- questa materia che non si vede?

Di cosa sia fatta la materia oscura è un bel mistero. Una parte di questa materia può essere spiegata da materia di tipo cosiddetto “barionico” (costituita cioè delle particelle più “pesanti”, fatta perciò di atomi, i cui nuclei sono in pratica costituiti da triple di quarks..), una massa costituita da oggetti massicci ma non visibili con la luce; oggetti come pianeti, asteroidi e comete, e stelle morte di vario genere come le nane nere (e’ il destino futuro del nostro Sole), le stelle di neutroni e i buchi neri. Ma questa materia “non luminosa” , la cui quantità può essere valutata solo statisticamente, non giustifica le anomalie gravitazionali osservate. Ecco che viene chiamata in causa un’altra materia, quella costituita da particelle non ordinarie. La materia oscura non barionica, non fatta cioè di particelle “pesanti”-“barion”= “peso” in greco- come protoni e neutroni, è una materia “esotica” che non e’ fatta di oggetti compatti strutturati in atomi e molecole ma da particelle. Queste ipotetiche particelle, note con il nome di particelle WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles e cioè “particelle massive”-massive particles- debolmente interagenti-weakley interacting-), si stima possano avere una massa più di cento volte superiore a quella del protone, ma interagirebbero pochissimo con la materia ordinaria, addirittura meno dei neutrini che sono le particelle più sfuggenti che a tutt’oggi si conoscano.

Per poter individuare una particella WIMP è necessario che questa interagisca in qualche maniera con uno strumento di misura, dando un qualche segnale. Queste reazioni, se pure esistono, sarebbero estremamente rare. Per giunta, il segnale che si rileverebbe sarebbe difficile da distinguere dal segnale lasciato da altre particelle come i fotoni, gli elettroni od i neutroni

Le particelle del tipo WIMPs, pero’, possono venire rilevate nel modo seguente: le WIMPs che si trovano nella galassia investono la Terra con un flusso maggiore in estate allorché la velocità della Terra nel suo moto di rivoluzione si somma con quella del sistema solare, mentre in inverno, quando le velocità del sistema solare e della Terra sono in direzioni opposte, il flusso è minore. E’ il cosiddetto “effetto di modulazione annuale”, grazie al quale gli scienziati si aspettano di poter rilevare un numero maggiore di segnali nel periodo estivo, preferibilmente nel mese di giugno, e minimo in inverno, a dicembre. Un esperimento che volesse rilevare dei segnali “marcatori” delle partielle WIMPs, deve necessariamente essere allestito e condotto in un laboratorio sotterraneo, analogamente a come si fa con i neutrini (anche questi debolmente interagenti con la normale materia barionica, o “pesante”, al punto da attraversare in continuazione la Terra da parte a parte quasi alla velocità della luce e che, a differenza delle particelle WIMPS, hanno una massa molto esigua e prossima allo zero).

Ad adottare il metodo dell’”effetto di modulazione annuale “ è il promettente esperimento “DAMA project”, nei laboratori nazionali del Gran Sasso, un osservatorio per rilevare degli eventi rarissimi ed avente lo scopo proprio di individuare le particelle di materia oscura (Dark Matter Particles, da cui DA-MA project) presenti nell’alone galattico.

I fisici pensano che le WIMPs – ricordo che sono le ipotetiche particelle di cui è costituita forse la materia oscura- non siano altro che delle particelle previste da alcune teorie (per esempio, dalla “supersimmetria” – una teoria ancora allo studio, che prevede più dimensioni per l’universo e delle particelle “speculari” a quelle conosciute ), ma non ancora osservate neanche nei più potenti acceleratori di particelle (nei quali delle particelle subatomiche vengono accelerate, fatte collidere ad d altissime energie ..per trovarne delle altre). 

Ma come si dispone, la materia oscura, in una galassia? Non lo sappiamo, ma una scienziata statunitense, tale Lisa Randall, ritiene che possa esistere anche un tipo di materia oscura che interagisca in parte con la materia ordinaria. Non si capisce però se la scienziata immagina altre particelle oltre alle WIMPs, cioè ad un altro tipo ancora diverso di materia oscura. Tuttavia ella immagina che questa materia “parzialmente interagente” possa disporsi, nei riguardi di una galassia, a formare un disco “sovrapposto” a quello visibile del piano galattico. Un “doppio disco”, insomma, uno di materia oscura ed uno di materia ordinaria. Una piccola percentuale della materia oscura interagirebbe maggiormente rispetto alle particelle WIMPs ed i cosiddetti “ assioni”- particelle piccolissime e con poca massa, anch’esse partecipi a costituire parte della materia oscura. Ecco che questa piccola parte di materia oscura si strutturerebbe in una sorta di disco, facendo sì che le galassie siano di fatto delle strutture “a doppio disco”. Naturalmente, la materia oscura è distribuita anche su un più ampio raggio, ad abbracciare e contribuire notevolmente tenere insieme gruppi di galassie negli ammassi, e questi nei super ammassi didi galassie. Diversi esperimenti sono orientati verso l’individuazione di queste strutture “a disco” immaginate dalle nuove teorie, esperimenti quali i rilevamenti del satellite Gaia dell’Esa, o missioni come Pamela dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare-IFN o ancora esperimenti a bordo della stazione spaziale internazionale.

Come abbiamo visto, l’esistenza della materia oscura è stata immaginata per capire la dimamica delle galassie e delle velocità di strutture-stelle e gruppi di stelle- che costituiscono le loro zone più periferiche ; la sola materia visibile, infatti, non è sufficiente a far tornare i conti con le leggi di Newton e Keplero le quali descrivono rispettivamente i rapporti fra le masse e le attrazioni gravitazionali tra corpi celesti e le loro velocità orbitali in rapporto alle distanze reciproche di corpi celesti. La sua presenza nel cosmo è tutt’altro che trascurabile, trattandosi di una massa ben quattro volte superiore a quella della materia ordinaria, e costituirebbe almeno il 25 per cento dell’universo mondo.

Nessuno sa di cosa è fatta la materia oscura, esistono solamente delle ipotesi: particelle massive debolmente interagenti o WIMPs, assioni- particelle di massa piccolissima, un altri tipo di materia capace di interagire di più-ma sempre parzialmente- sulla materia ordinaria. Per giustificare come le interazioni gravitazionali tengono insieme le strutture delle galassie, si è ipotizzato inoltre che la materia oscura sia disposta tutta intorno ad una galassia a formare un alone, e che la materia oscura che interagisce maggiormente, solo parzialmente, si disponga “a disco” compenetrando il disco fatto di materia ordinaria, cioè di stelle.

E CHE COS’E L’ENERGIA OSCURA?

Alla materia oscura viene affiancato un altro grosso mistero: l’energia oscura (?!). Pensate che la cosiddetta energia oscura (Dark Energy in inglese) costituisce, da sola, addirittura ben il settanta per cento dell’universo. Einstein pensò di inserire una costante nelle sue equazioni, e lo fece per giustificare il fatto che l’universo doveva secondo lui rimanere statico, e non collassare per gravità od espandersi e per giunta in modo accelerato come si scoprì in seguito, molti decenni dopo, grazie al telescopio Hubble che porta il nome di Edwin Hubble che formulò la sua legge di espansione del cosmo. Quando lo scienziato tedesco si rese conto che l’universo si espande-cosa che egli non credeva..-, tolse questa costante ritenendola “il suo errore più grosso”, mentre invece quella sua “ costante cosmologica” rappresenta, in maniera semplificata, l’energia che può venir associata allo spazio vuoto, dunque una energia presente in ogni parte dell’universo. “Energia oscura responsabile della espansione dell’universo”. Soffermiamoci un attimo su questo punto. L’universo ha una massa che crea una forza reciprocamente attrattiva fra le sue parti; questa forza è la gravità. L’universo viene tenuto insieme dalla gravità, la quale tende a “far cadere” verso un “centro di massa” tutto quanto. L’universo, per gravità, dovrebbe collassare su sé stesso, mentre invece, è in espansione accelerata e, sembra, proprio grazie all’azione di una energia misteriosa, chiamata dai fisici “energia oscura”. L’azione di questa energia oscura è dunque descrivibile come una “gravità negativa” (limitatamente alla espansione dello spazio che tale energia oscura causerebbe) , una forza cioè che fa letteralmente espandere lo spazio-tempo generando di fatto un allontanamento reciproco degli ammassi di galassie. In due parole, la materia ordinaria e la materia oscura tendono a far collassare l’universo, mentre l’energia oscura lo fa espandere, ed in modo accelerato.

Che cosa sia in sostanza l’energia oscura non è dato saperlo. Due sono le forme di energia immaginate e proposte dagli scienziati: la famosa “costante cosmologica” di einsteiniana memoria, praticamente assimilabile all’energia del vuoto , una energia esotica generata dal continuo nascere e “morire” di particelle virtuali, che esistono cioè solo a livello quantistico e per istanti e quantità non osservabili e per questo dette “virtuali”) e l’energia detta “di quintessenza”, vale a dire una forma di energia postulata per spiegare l’universo in espansione accelerata e che sarebbe l’espressione di una “quinta forza fondamentale”, che si aggiungerebbe alle quattro forze fondamentali note, che sono le due interazioni nucleari forte e debole, la forza elettromagnetica- quella che tiene legati gli atomi e le molecole tra loro- e la gravità. L’energia molto probabilmente non è una cosa che viene emanata dalla materia oscura, come si sarebbe portati a pensare in analogia con l’energia ordinaria- la materia ordinaria assorbe ed emette luce, che è appunto pura energia normale; né tantomeno c’entra, nell’economia di questo discorso, l’antimateria , alla quale non è associata nessuna “anti energia” bensì una massa ed una energia.

Forse gli scienziati troveranno altre particelle magari non ancora immaginate, o verranno confermate quelle teorizzate. Una cosa è certa. Esiste nel cosmo una misteriosa “forza aggiuntiva”, una forza che ingrandisce l’universo sin da quando questo era più piccolo di un solo atomo, ed ancora lo farà espandere, in un braccio di ferro con la gravitazione universale conosciuta e dal cui esisto dipenderà il destino ultimo dell’universo: eterna espansione o ricompattazione del tutto, fino a ricostituire quel minuscolo uovo primordiale da cui tutto era cominciato, con un grande botto detto Big Bang.

CIAO

Marghian