Una “brillante” intuizione

“Siamo fatti della stessa materia delle stelle“, scriveva l’astronomo e divulgatore Carl Sagan, ma quanta di quella materia occupa realmente l’universo? Chiudiamo per un momento gli occhi e proviamo ad immergerci nello spazio profondo: buio tutto attorno a noi con solo qualche puntino luminoso qua e là. Ora che abbiamo questa immagine in mente, facciamo uno sforzo in più per cercare di afferrare quel buio pesto che ci circonda. Ecco, se lasciassimo da parte la fisica e pensassimo a livello statistico, avremmo una buona possibilità di afferrare “qualcosa”. Ma perché? Secondo gli ultimi calcoli svolti nel 2013, la massa dell’universo sarebbe costituito all’86% da Materia Oscura.

Il nome particolarmente esotico trova le sue fondamenta nelle osservazioni svolte. Risulta infatti evidente la presenza di “qualcosa” che perturba lo spazio-tempo sebbene non sia possibile osservarne alcuna radiazione elettromagnetica, ragione per la quale è stato conferito il termine di “materia oscura”.
Questo concetto estremamente affascinante appare per la prima volta nel 1933, quando l’astronomo Fritz Zwicky stava studiando il movimento di ammassi di galassie. Egli trovò una significativa incongruenza nei calcoli svolti con due metodi differenti. Il primo basato sulla somma della massa di ogni galassia presente, mentre il secondo con l’utilizzo del calcolo della velocità di dispersione di ogni galassia.

Osservazioni sperimentali

Come definito in precedenza, le osservazioni sperimentali effettuate nel corso degli anni sono state innumerevoli e diversificate.

Galassia di Andromeda. Le stelle sui bracci esterni del disco hanno velocità maggiore dovuta alla presenza di materia oscura

La prima, nonché principale, osservazione riguarda la velocità di rotazione delle galassie. Su una grande quantità di campioni si è notato un’incongruenza con la legge di gravitazione universale di Newton. Essa afferma che in un sistema gravitazionale come quello di una galassia, la velocità di rotazione delle stelle che si trovano all’esterno rispetto al nucleo, deve diminuire all’aumentare della distanza dal centro. Diversamente dalle previsioni teoriche, invece, si è notato che le stelle presenti all’esterno dei dischi galattici hanno una velocità decisamente maggiore.

Questa differenza ha quindi spinto gli scienziati ad ipotizzare ci sia della massa “invisibile” all’esterno delle galassie, la quale è la causa del moto innaturale delle stelle.

Le galassie, inoltre, risentono dell’influenza gravitazionale reciproca che tende a creare degli “ammassi”.

Superammasso di galassie e materia oscura

Dallo studio su questi ammassi di galassie è stato possibile osservare nuovamente la presenza di materia oscura. Come fatto in precedenza, infatti, conoscendo la massa delle galassie presenti ed utilizzando la legge di gravitazione di Newton, è stato possibile stimare il moto relativo di ogni galassia. La particolarità del calcolo è risulta essere 400 volte minore rispetto alle osservazioni. Ancora una volta, non è possibile spiegare il motivo di questa incongruenza se non ipotizzando l’esistenza di una massa “oscura” che perturba lo spazio-tempo circostante.

Immagine del Superammasso Laniakea con il Gruppo Locale nel quale risiede la Via Lattea. La massa totale del supercluster è maggiore rispetto ai calcoli proprio per via della presenza della materia oscura.

Per la cronaca: la Via Lattea si trova nel Gruppo Locale, il quale fa parte del Superammasso della Vergine che a sua volta è compreso nel Superammasso Laniakea .

Lente gravitazionale

La riprova della presenza di materia oscura nell’universo la si riscontra con un altro metodo che prevede l’utilizzo della “luce” proveniente da stelle distanti. Il metodo è definito lente gravitazionale perché, la gravità, agendo come una lente, riesce a perturbare il moto della radiazione elettromagnetica modificando lo spazio-tempo.

Quando un corpo di cui si può conoscere la massa, come una stella, curva lo spazio-tempo circostante (come in figura) creando questo effetto, è possibile calcolare la quantità di materia oscura presente sulla base di “quanto” venga distorta luce.

Lente gravitazionale dovuta alla massa della stella e alla materia oscura

Composizione della materia oscura

La natura della materia oscura può avere due possibili rappresentazioni: una natura barionica e una natura non barionica.

I barioni sono delle particelle subatomiche di diversa tipologia e funzionalità. Tra i barioni più conosciuti ci sono i protoni e i neutrini, ad esempio.

La materia oscura barionica la si può rintracciare nelle galassie tramite l’utilizzo del metodo a lente gravitazionale. Notando, infatti, la distorsione spazio-temporale della luce, si può stimare la presenza di oggetti massivi che non emettono radiazione come, pianeti, buchi neri, nane brune.

Nel caso di materia oscura non barionica, invece, la sua composizione non è ancora precisata. Alcune ipotesi, però, portano a credere si tratti di particelle dotate di grande massa che interagiscono solo tramite forza gravitazionale e interazione nucleare debole.

Quel che è certo è che sappiamo ancora poco a riguardo, ragion per cui sono innumerevoli gli studi che si stanno svolgendo in questi anni, molti dei quali anche in Italia. In particolare nei laboratori del Gran Sasso e del Dipartimento di Fisica della Sapienza di Roma, che hanno tra gli obiettivi quello di comprendere ed investigare a fondo questo mistero.

Fonti: