Materia oscura ed energia oscura

Prof. Francesco Bertola – Dipartimento di Astronomia – Università degli Studi di Padova

Materia oscura ed energia oscura sono due componenti fondamentali dell’universo. La prima è entrata nel contesto cosmologico da alcune decine di anni in seguito a tutta una serie di osservazioni astronomiche che ne indicavano l’esistenza, della seconda se ne parla solo da qualche anno ma il suo ruolo risulta essere determinante nell’economia cosmica. La materia oscura è una entità invisibile, la cui presenza viene dedotta dagli effetti gravitazionali che essa induce su oggetti che emettono luce e che pertanto possono essere osservati con i telescopi. Nel passato si sono presentati casi di “materia oscura” che, però, nel volgere di pochi anni si sono risolti con l’individuazione della massa responsabile. Per la materia oscura di cui si parla oggi non esiste la controparte visibile.
Nel 1844 l’astronomo tedesco Friedrich Wilhelm Bessel avanzo` l’ipotesi che la stella Sirio, la quale nel corso degli anni mostrava delle oscillazioni nella sua posizione in cielo, fosse influenzata gravitazionalmente da un compagno invisibile, orbitante intorno ad essa. Si trattava di una forma di “materia oscura” che rimase tale solo per diciotto anni, fino a quando l’astronomo americano Alvan Clark, non scoprì che l’oggetto orbitante intorno a Sirio era una stella di ottava grandezza difficile da rivelare dato che Sirio è diecimila volte più brillante.

Un altro esempio di una massa la cui evidenza è stata in un primo tempo indiretta è quella del pianeta Nettuno scoperto nel 1846 studiando le perturbazioni che esso esercitava sull’orbita di Urano. Anche la presenza di buchi neri, e in questo caso si tratta di oggetti invisibili per definizione, risultanti dal collasso di stelle massicce è modernamente dedotta dallo studio della stella compagna visibile.

Il pianeta Nettuno. Cortesia: Voyager 2, NASA/JPL.

La prima evidenza di materia oscura nell’accezione moderna di questo termine si ha nel 1931 quando l’astronomo olandese Jan H. Oort studiando le oscillazioni delle stelle perpendicolarmente al piano equatoriale della nostra galassia si accorse che per produrle era necessaria una forza gravitazionale ben superiore a quella che potevano fornire le stelle visibili. Due anni dopo l’astronomo svizzero Fritz Zwicky trovò una analoga discrepanza su una scala molto superiore, quella corrispondente agli ammassi di galassie, conglomerati formati anche da più di mille sistemi stellari. Zwicky misuro` le velocità radiali delle singole galassie e quindi il loro grado di agitazione in seno all’ammasso.

Di nuovo questi moti di agitazione erano cosi` grandi che bisognava concludere che per tenere insieme l’ammasso in modo tale non si disgregasse era necessaria una massa da dieci a cento volte più grande di quella fornita dalla parte luminosa delle singole galassie. In altri termini se si sommava la massa associata alla luce delle singole galassie costituenti l’ammasso si otteneva un valore di gran lunga inferiore a quello della massa dell’ammasso determinata globalmente. Questa massa oscura fu per lungo tempo chiamata anche “massa mancante”, traduzione dall’inglese di “missing mass” che sarebbe stato più opportuno rendere con l’espressione “massa latente” in quanto non veniva messa in dubbio la sua presenza, ma si constatava la sua invisibilità.

Rappresentazione di un alone oscuro che avvolge la galassia.

Gli anni ’70 segnano una svolta nello studio della materia oscura, determinata dalla scoperta che le galassie, i costituenti fondamentali dell’universo visibile, sono contenute all’interno di un immenso alone massiccio di materia invisibile che si estende fino a parecchie volte il raggio della parte luminosa della galassia. Cosicché la massa associata alla parte visibile della galassia risulta essere una piccola frazione della massa dell’intero sistema. La scoperta fu fatta studiando come varia la velocità di rotazione delle galassie in funzione della distanza dal nucleo centrale.

Ci si aspettava che nelle zone esterne dove non si vede più la luce della galassia, oltre al confine tracciato dalla struttura a spirale, ma dove e` possibile ancora misurare la rotazione mediante l’osservazione di nubi sparse di idrogeno, la velocità decrescesse verso l’esterno, un po’ come succede con i pianeti del sistema solare che sono caratterizzati da una velocità di rotazione intorno al sole che decresce man mano che aumenta la loro distanza, seguendo la terza legge di Keplero. Invece la velocità di rotazione delle regioni esterne si manteneva elevata indicando una presenza di massa gravitazionale, laddove il contributo luminoso era del tutto trascurabile o addirittura nullo.

Curva di rotazione di una galassia (A= curva teorica ; B=curva effettiva, osservata).

Lo studio sistematico delle curve di rotazione delle galassie iniziato negli ultimi decenni del secolo scorso, ha fornito la prima, solida e incontrovertibile prova dell’esistenza della materia oscura. Essa fu messa inoltre in evidenza anche su scale molto più grandi di una singola galassia, come nelle galassie doppie, multiple, negli ammassi di galassie e nei super ammassi. Nel volgere di pochi anni si arrivo` alla conclusione che ben il 95% della massa dell’universo era senza una controparte visibile. Un altro risultato sorprendente si ebbe quando si indago` sulla natura di questa massa oscura.

Francesco Bertola

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BIBLIOGRAFIA Mario Livio, The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Beauty of the Cosmos, John Wiley and Sons Inc. 2001 Wendy L. Freedman e Michael S. Turner, Cosmology in the New Millennium, Sky and Telescope, Ottobre 2003 Adam G. Riess e Michael S. Turner, E l’universo accelerò, Le Scienze, Marzo 2004 Autori Vari, Origin and Fate of the Universe, Astronomy Special Cosmology Issue, 2004 .

Fonte Chiaramente Scienza – Istituto Veneto di Scienze Lettere ed Arti. Approfondimenti a cura di Francesco Bertola.
http://www.istitutoveneto.it/chiaramentescienza/index.php?Esplorazione-delluniverso-le-nuove-frontiere-2 .

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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