Materia oscura

La materia oscura è un ipotetico tipo di materia non osservabile la cui esistenza, secondo la teoria ad oggi più accreditata, giustificherebbe le anomalie del moto delle stelle su scala galattica rispetto al comportamento previsto dalle leggi di Newton.

 

Prima di parlare della materia oscura è necessario chiarire che essa è oggetto di un modello non ancora confermato né sperimentalmente, né il linea teorica. Nelle righe che seguono cercheremo quindi di capire quali osservazioni abbiano indotto gli astrofisici a formulare la teoria della materia oscura, per poi presentare il modello a grandi linee.

 

Premesse: perché supporre l'esistenza della materia oscura

 

Ancor prima di capire cosa sia la materia oscura, o meglio cosa possa essere, è necessaria una premessa. Come al solito non vogliamo scaricarvi una definizione o una teoria che potrebbe rivelarsi inutilmente astratta; piuttosto vogliamo che le premesse sperimentali siano chiare, in modo che sia altrettanto comprensibile il concetto di materia oscrua.

 

Nello studio dell'Universo, la legge di gravitazione universale è di fondamentale importanza per la comprensione della struttura e della dinamica dei corpi celesti che si trovano a grande distanza da noi. Ma è proprio l'osservazione delle galassie lontane che mina la validità delle leggi della Dinamica, creando una profonda incongruenza.

 

L'Universo è pieno di galassie: se ne stimano circa 100 miliardi. Ognuna di esse contiene all'incirca 100 miliardi di stelle; possiamo quindi difficilmente immaginare quante stelle esistano nell'Universo! Alcune galassie, le più affascinanti, hanno una struttura a spirale con un parte centrale ricca di stelle e molto luminosa, di forma pressoché sferica, e altre stelle e nubi di gas interstellare che ruotano attorno al centro formando dei bracci che si avvolgono a spirale.

 

Vista di profilo, un galassia a spirale si presenta come un disco con un rigonfiamento centrale. Questa è la struttura della galassia in cui si trova il Sistema solare, nonché della nostra vicina di casa, la galassia di Andromeda, l'unica visibile a occhio nudo. Se si sa dove guardare, appare come un stella sfocata e e di forma leggermente allungata.

 

Applicando la terza legge di Keplero al moto delle stelle delle galassie a spirale, si può trovare una relazione tra la velocità di rivoluzione di una stella attorno al centro galattico e la distanza r della stella dal centro. Sappiamo infatti che vale la formula:

 

 T^{2} = \frac{4 \pi^{2}}{GM} r^{3}

 

da cui

 

T=2 \pi r\sqrt{\frac{r}{GM}}

 

dove con M indichiamo la massa della parte di galassia contenuta all'interno della sfera di raggio r, l'unica che esercita l'azione gravitazionale in accordo con il secondo teorema dei gusci.

 

La velocità tangenziale nel moto circolare uniforme era definita come:

 

 v = \frac{2 \pi r}{T}

 

per cui, se sostituiamo la formula del periodo in quella della velocità, otteniamo:

 

v=2\pi r\cdot \frac{1}{2\pi r}\sqrt{\frac{GM}{r}}

 

ossia

 

v=\frac{\sqrt{GM}}{\sqrt{r}}

 

Dunque la velocità tangenziale di rotazione di una stella è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua distanza dal centro galattico.

 

Il problema che ha indotto buona parte degli astrofisici ad avanzare la teoria della materia oscura: a seguito di alcune evidenze sperimentali si è osservato che la precedente relazione è corretta per le stelle più vicine al centro della galassia, ma non è corretta per quelle più lontane. Un grafico della velocità in funzione della distanza (espressa in kiloparsec, un’unità molto usata in astrofisica) si presenta in questo modo.

 

 

Materia oscura

 

 

Si tratta di un grafico qualitativo, giusto per capire l'idea. Si osserva in particolare che al crescere della distanza ci sono stelle che incrementano la loro velocità anziché diminuirla.

 

Materia oscura come possibile soluzione alle incongruenze tra teoria ed evidenze sperimentali

 

La teoria e le osservazioni sperimentali non si trovano in accordo e ciò è indice del fatto che c'è qualquadra che non cosa. :P Se volete, ci troviamo in una situazione simile a quella in cui si trovò Keplero quando da una parte aveva il modello copernicano, che parlava di orbite circolari, e dall'altra i dati raccolti da Brahe, che gli suggerivano invece orbite ellittiche.

 

Ora, le possibilità sono due: o le leggi di Newton non sono valide su grandi scale e vanno riviste, oppure le leggi di Newton vanno benissimo ma c'è nell'Universo qualcosa che disturba il moto delle stelle, causandone una deviazione dalle regole che conosciamo.

 

Fino ad oggi non sono mai stati osservati fenomeni che si discostino dalle leggi di Newton per cui, seguendo la seconda ipotesi, si è arrivati a suppore l'esistenza di un tipo di materia a noi sconosciuta, la materia oscura appunto, che sia responsabile del moto anomalo delle stelle. L'idea è che la materia oscura possa circondare le galassie e disturbarne il moto grazie ad un'immensa forza gravitazionale.

 

Non si ha la minima idea di quella che potrebbe essere la sua composizione, anche perché il cuore della teoria prevede che essa non sia osservabile in alcun modo (tantomeno tramite radiazione elettromagnetica) se non per i suoi effetti gravitazionali. Gli scienziati che sostengono l'esistenza della materia oscura hanno stimato che essa possa addirittura costituire il 90% di tutta la materia dell'Universo. Una teoria molto accreditata, ma anche molto sconfortante: se la materia oscura esistesse realmente, noi potremmo vedere e studiare solo una piccola frazione dell'Universo. :(

 

Bisogna sottolineare che l'esistenza della materia oscura è solo un'ipotesi in corso di valutazione: ad oggi comunque rappresenta una delle frontiere più interessanti e affascinanti dell'Astrofisica. Se un giorno la sua esistenza dovesse essere confermata, si tratterà di una grande scoperta; in caso contrario avremo comunque fatto un passo in avanti verso una più completa conoscenza dell'Universo, perché saremo certi che la risposta al problema sia da ricercarsi altrove.

 

 


 

Qui abbiamo finito. Vi aspettiamo nella prossima lezione, in cui tratteremo il concetto di campo gravitazionale. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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