2. Osservare la materia oscura

NGC6503_Drago 

Su suggerimento di Flavio Chinellato, astrofilo.

Tratto da: “Dov’e e che cos’è la materia oscura” di Gianfranco Bertone – pubblicato su “Le stelle”,  febbraio 2007 n. 48

Consideriamo una tipica galassia, come la nostra Via Lattea, che può essere approssimata a un disco di stelle in rotazione, gravitanti intorno a un centro comune. Possiamo naturalmente applicare le leggi della gravitazione newtoniana a sistemi come questo, e studiare con che velocità le stelle e il gas contenuto nella galassia ruotano in funzione della loro distanza dal centro galattico: il grafico che raccoglie queste misure viene detto curva di rotazione. Il risultato e’ molto semplice: ci si aspetta, per il gas situato sul bordo del disco stellare e che si estende anche al di là di esso, una velocità in tendenziale diminuzione quanto più aumenta la distanza dal centro. Più precisamente, ci si aspetta che la velocità decresca come l’inverso della radice quadrata della distanza r dal centro. Questa semplice predizione teorica risulta non rispettata nella gran parte dei sistemi galattici a cui viene applicata. Le osservazioni infatti mostrano che le velocità di rotazione a grande distanza dal centro non decrescono affatto e tendono, piuttosto, a stabilizzarsi su un valore costante: ci aspetteremmo che fosse così se ad alimentare la dinamica ci fosse molta più materia di quella che viene effettivamente osservata. Dunque se ci fossero imponenti quantità di materia non visibile, come dovrebbe distribuirsi tale materia oscura?

Rotation_curve_N6503

Non e’ difficile calcolarlo a partire dall’andamento delle curve di rotazione: la sua densità dovrebbe essere inversamente proporzionale al quadrato della distanza dal centro. L’esistenza della materia oscura e’ però suggerita anche dallo studio dinamico di sistemi ben più grandi, come gli ammassi di galassie. Lo spazio fra le galassie degli ammassi e’ permeato da un gas ad altissima temperatura che tenderebbe a sfuggire se non fosse imbrigliato dall’attrazione gravitazionale del sistema a cui appartiene. Più e’ caldo, tanto maggiore deve essere la massa che riesce a tenerlo ingabbiato. Così, nell’ipotesi che il gas sia effettivamente legato all’ammasso, si può scrivere un a relazione che connette la temperatura del gas al profilo di densità dell’ammasso, ovvero al modo in cui la massa si distribuisce a diverse distanze dal centro. Come nel caso delle curve di rotazione delle galassie, questo semplice calcolo produce dei risultati in conflitto con le osservazioni, nel senso che non vediamo risplendere dentro i nostri telescopi tutta la massa di cui il calcolo prevede l’esistenza: anche in questo caso, solo ipotizzando l’esistenza di una sostanziosa componente di materia oscura si riesce a conciliare teoria e osservazioni. Una verifica di quanta sia la massa totale di un ammasso di galassie, e quindi una prova dell’esistenza della materia oscura, si può ottenere attraverso il fenomeno delle lenti gravitazionali. Si tratta di un fenomeno previsto dalla teoria della Relatività Generale. Sappiamo che la luce subisce l’effetto della forza gravitazionale, nel senso che la sua traiettoria viene incurvata all’interno di un campo di gravità; il che implica, ad esempio, che possiamo vedere  sorgenti di luce che geometricamente dovrebbero restare nascoste trovandosi al di là di un oggetto opaco. I raggi luminosi provenienti da sorgenti lontane possono “girare intorno” all’oggetto che fa da lente gravitazionale ed essere osservabili da Terra. L’entità della deflessione che essi subiscono è funzione della massa della lente: quando la lente è un ammasso di galassie, per spiegare in maniera quantitativa la posizione e l’intensità delle immagini deflesse è necessario ipotizzare una quantità di massa di gran lunga superiore a quella luminosa che si rende visibile nel complesso delle galassie dell’ammasso. L’ultima schiacciante evidenza dell’esistenza della materia oscura nell’Universo viene dall’analisi della radiazione cosmica di fondo. Pochi anni fa il satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ha prodotto mappe del fondo a microonde con una risoluzione formidabile, il che ha permesso uno studio approfondito della composizione dell’Universo primordiale.

 WMAP_particolare

Dall’analisi della distribuzione delle tenui differenze di temperatura (anisotropie) che si misurano nello spettro del fondo cosmico ad un punto all’altro della volta celeste emerge la necessità di ipotizzare la presenza di materia oscura già nell’Universo primordiale e in quantità simile a quella necessaria per spiegare le anomalie citate, che si manifestano alla scala delle galassie e degli ammassi di galassie.

Continua…

Grazie Flavio. Sabrina

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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Una risposta a 2. Osservare la materia oscura

  1. Giulia dice:

    Ma quanto bella è la cosmologia? Rivela sempre qualcosa di affascinante del nostro universo.