L’universo si nasconde!
Dov’è finito il 90% della materia?
 di Lorenzo Comolli

Nota importante: questo articolo è stato scritto molto tempo fa, nel 1996, e pertanto è da considerare superato per via delle nuove scoperte nel campo.

Cos’è la materia oscura?

E’, come spiega l’aggettivo "oscura", materia che noi non vediamo. Attenzione però a non confonderla coi buchi neri, anch’essi invisibili, che sono solo una piccola parte della materia oscura.

Quanta è?

Si è calcolato che circa il 90% della materia nell’universo debba essere oscura.

Che importanza ha?

La  materia oscura apre il dilemma del destino dell’universo. Se ce n’è molta, l’universo finirà di espandersi e la forza di gravità lo farà collassare su se stesso: ci sarà il Big Crunch (= Grande Stritolamento). Invece se di materia ce n’è poca, l’universo continuerà ad espandersi all’infinito. Tutto questo, naturalmente, se la teoria del Big Bang è corretta (e probabilmente lo è).

Le prove a favore.

Riuscire a giustificare l’esistenza di qualcosa che non vediamo e non tocchiamo è un compito arduo. Infatti, quando Vera Rubin nel 1951 ipotizzò l’esistenza di materia invisibile con degli studi sulla dinamica delle stelle nelle galassie, fu considerata quasi una pazza. Ci vollero più di 25 anni prima che la Rubin proponesse di nuovo la stessa idea, supportandola con dati più precisi (1978).
L’idea della Rubin era che le stelle, al crescere della loro distanza dal centro galattico, devono orbitare a velocità sempre minori. Questo effetto è facilmente comprensibile se consideriamo il sistema solare: Mercurio, il pianeta più vicino al Sole, orbita a circa 48 Km/s, mentre Plutone, il più lontano, a "soli" 4,7 Km/s. La ricercatrice scoprì che ciò non avveniva: le velocità misurate rimanevano costanti invece di diminuire (Figura 1). L’unica spiegazione a questo fenomeno era di ammettere l’esistenza di materia invisibile intorno alle galassie.
 
Figura 1: una curva rotazionale galattica. Si vede come i dati non seguono la liea continua che rappresenta la previsione fatta dagli astronomi in base alla quantità di materia visibile (cioè stelle e nebulose).
Ma già nel 1973, Jim Peebles e Jeremiah Ostriker avevano ipotizzato che nelle galassie doveva esserci più materia. I delicati bracci di spirale non possono resistere per lungo tempo se non si teorizza l’esistenza di un esteso alone contenente una grande massa, che circonda le galassie.(Figura 2)
 
Figura 2: il nucleo di una galassia a spirale (M100) ripresa dall'Hubble Space Telescope. I bracci a spirale che cominciano a dipartirsi dal nucleo non possono resistere a lungo se non si ammette l'esistenza di un esteso alone di grande massa intorno alla galassia.
Una ulteriore prova a favore della materia oscura è il moto delle galassie negli ammassi di galassie: le loro velocità sono molto maggiori di quanto si era ipotizzato utilizzando il campo gravitazionale creato dalla materia visibile.
Esemplare è la nostra Via Lattea che si muove nella direzione della costellazione del Leone a ben 600 Km/s: significa che un’enorme quantità di materia oscura ci sta attraendo.

Le ipotesi della composizione della materia oscura.

I calcoli indicherebbero che il Big Bang ha formato il 20% di tutta la massa dell’universo sotto forma di materia barionica, formata cioè da protoni e neutroni. Il restante 80% potrebbe essere materia che non interagisce elettromagneticamente con la materia barionica, che cioè non emette luce.

La materia oscura di tipo barionico potrebbe essere composta di oggetti poco luminosi, quali stelle di neutroni, buchi neri o nane brune. Per comodità vengono anche chiamati MACHO (MAssive Compact Halo Objects).
Le stelle di neutroni sono ciò che rimane di vecchie stelle esplose. Però considerazioni sulla loro difficile creazione, escludono che possano risolvere il problema della massa mancante di tipo barionico.
I buchi neri sono anch’essi generati da stelle che alla fine della loro vita "luminosa", collassano su se stesse. A causa della loro grande massa, le forze che tengono uniti gli atomi e le particelle come protoni e neutroni, vengono superate da quelle gravitazionali: la materia quindi viene concentrata così tanto che crea un campo gravitazionale da cui neppure la luce può sfuggire. Nonostante tutto, i buchi neri possono essere "visti" per gli effetti che il campo gravitazionale induce nello spazio circostante. Poco possiamo invece dire sulla quantità dei buchi neri esistenti. Quindi i cosmologi non possono essere certi che siano loro i responsabili della materia oscura barionica.
Un’altra ipotesi si basava sull’abbondanza delle nane brune, corpi con massa minore all’8% di quella del Sole: questi sono troppo piccoli per avviare la fusione nucleare e perciò non risplendono come le stelle. Giove è l’esempio più vicino a noi di queste "stelle mancate". Emettono però radiazione infrarossa: recenti studi condotti con l’Hubble Space Telescope (HST) escludono completamente che le nane brune esistano in grandi quantità (Figura 3).
 
Figura 3: la foto a destra mostra la zona quasi priva di stelle, mentre ce se ne aspettava tante quante quelle disegnate nella foto a sinistra. Viene quindi esclusa l'ipotesi che la materia oscura sia formata da corpi poco luminosi come le nane brune.
Vediamo ora quali sono i candidati ad essere la materia oscura non barionica. Se ne distinguono due tipi: la calda e la fredda, a seconda dell’energia che le particelle possedevano quando non si erano ancora formate le galassie.
Il candidato principale alla materia oscura calda (cioè molto energetica ai primordi del Big Bang) è il neutrino, una particella che non interagisce con la materia barionica se non raramente. Ha però il pregio della certezza della sua esistenza: infatti il nostro corpo è attraversato da circa 6 MILIONI DI MILIARDI di neutrini ogni secondo, che vengono prodotti nel centro del Sole. Facendo i conti, si scopre che nella nostra vita saremo trapassati da un numero di neutrini pari a un 1 seguito da 25 zeri!!! Nel Febbraio 1995 è stato eseguito a Los Alamos (USA) un esperimento secondo cui il neutrino avrebbe una massa di circa 2,5 elettronVolt (=4,4*10^-36 kg = 1/200.000 massa dell’elettrone), piccolissima, ma pur sempre diversa da 0.
I neutrini potrebbero definitivamente risolvere il problema della materia oscura, ma i teorici avevano avanzato altre due ipotesi, riguardanti la materia non barionica fredda: la prima utilizza l’assione, mentre la seconda propone le particelle supersimmetriche del fotone e della particella di Higgs, chiamate fotino e higgsino . Assione, fotino, particella di Higgs e relativo higgsino non sono state provate sperimentalmente, e pertanto restano soltanto delle ipotesi. (Figura 4)
 
Figura 4: schema riassuntivo delle ipotesi sulla composizione della materia oscura.

Conclusione.
I teorici stanno lavorando tuttora per capire meglio la struttura della materia, e pertanto sono possibili clamorosi colpi di scena, come scoperte di particelle esotiche o di mondi in una quinta dimensione...
Allo stato attuale, quindi, i più gettonati aspiranti alla materia oscura sono sia i piccoli buchi neri, sia i neutrini.
E’ evidente come negli ultimi decenni la scienza dell’infinitamente piccolo stia collaborando con la scienza dell’infinitamente grande, per giungere a capire sempre più il mondo in cui viviamo.
 

HTML Editing and Publishing by Lorenzo Comolli. Il mio e-mail è: comolli@libero.it.
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