Vera Rubin, la donna che portò alla luce la materia oscura

Vera Cooper Rubin al Vassar College negli anni Quaranta. Credit: Vassar College.

Lo scorso Natale è venuta a mancare all’età di 88 anni l’astrofisica . Ai non addetti ai lavori il suo nome non dice molto, ma Vera Cooper Rubin (Rubin era il cognome acquisito dal marito Robert) non era altrettanto famosa quanto altri suoi colleghi, anche vincitori del Premio Nobel. Per le sue importanti scoperte scientifiche il Nobel lo avrebbe senz’altro meritato.
Vera Cooper nacque a Philadelphia nel 1928 da immigrati ebrei dell’Europa orientale e si appassionò all’astronomia all’età di 10 anni, osservando il cielo dalla finestra della sua camera, rivolta a nord. Nei suoi scritti Vera Rubin racconta che, distesa a letto, seguiva il moto delle stelle durante la notte. Due anni più tardi, a 12 anni, iniziò a seguirle affacciata alla finestra. Altri due anni ancora e, con un telescopio fatto in casa usando un tubo di cartone, Vera iniziò ad osservare il cielo notturno.

“La mia vita è stato un viaggio interessante. Sono diventata astronoma perché non avrei potuto immaginare di vivere sulla Terra senza tentare di capire come funziona l’Universo. La mia catriera scientifica ha ruotato intorno all’osservazione del moto delle stelle nelle galassie e il moto delle galassie nell’Universo. Nel 1965, se eri molto fortunato e ti interessava usare i telescopi, allora potevi entrare nei laboratori di ricerca […] e fare scoperte straordinarie. Alle donne era in genere richiesta più fortuna e perseveranza che agli uomini. Aiutava avere genitori e un marito che ti sostenessero”.
—Vera Rubin

Dopo aver frequentato il Vassar College, dove aveva insegnato Maria Mitchell 1,  prima astronoma americana nel 1865, chiese di frequentare Astronomia alla Princeton University ma, per il fatto di essere una donna, questo non le fu concesso. Fu così che Vera Rubin finì alla Cornell University dove conobbe suo marito Robert Rubin, chimico. Vera Rubin fece il suo dottorato nel 1951 alla Georgetown University, dove discusse la sua tesi con Richard Feynman e George Gamow. L’idea originale della Rubin consisteva che le stelle ruotano attorno al centro di gravità delle galassie così come i pianeti orbitano attorno al Sole, un’idea talmente rivoluzionaria che all’inizio non fu nemmeno accolta dagli altri astronomi.
Fu proprio per confermare quest’idea che si dedicò a misurare i moti stellari delle altre galassie fino a giungere alla scoperta di una cosa totalmente diversa: la .

La materia oscura

“Se, avvicinandosi alla Terra di notte, un astronauta alieno pensasse che la superficie del nostro pianeta fosse tutta ricoperta dagli oceani tranne che nelle poche zone in cui si vedono le luci delle metropoli, commetterebbe un grave errore. Allo stesso modo, se noi pensassimo che l’Universo contenesse solo le cose che possiamo vedere, cioè le stelle, sbaglieremmo di grosso. Una quantità crescente di osservazioni astronomiche porta a concludere che la parte visibile del nostro Universo rappresenta solo una porzione minima del totale, quasi insignificante in termini di massa complessiva. La maggior parte della materia contenuta nel Cosmo non forma stelle o nubi di gas interstellare. Non emette e non assorbe luce, raggi X, raggi gamma o onde radio, che sono diverse forme di radiazione elettromagnetica tutte potenzialmente “visibili” dai nostri telescopi. Interagisce pochissimo con gli atomi della materia ordinaria ed è così esotica da non trovare posto sulla tavola periodica degli elementi.”
[da “Il lato oscuro dell’universo”, di Antonio Masiero e Massimo Pietroni, Asimmetrie 4, la materia oscura]

Attualmente si stima che oltre l’84 per cento di tutta la materia rilevabile gravitazionalmente nell’universo sia oscura, ossia incapace di interagire direttamente con la radiazione elettromagnetica in alcun modo.
I primi cenni storici di una qualche forma di materia oscura possono essere attribuiti all’astronomo tedesco Jacobus Kaptein basati sullo studio delle velocità stellari della Via Lattea e che risalgono al 1922.
Dieci anni dopo, nel 1932, anche Jan Oort 2, misurando lo spostamento Doppler delle stelle della Via Lattea, giunse alle medesime conclusioni: queste sembravano muoversi più velocemente di quanto avrebbero dovuto per mantenere insieme tutta la Galassia. Questo problema, allora irrisolto, divenne ancora più evidente con le osservazioni dell’astronomo svizzero Fritz Zwicky un anno dopo, nel 1933, che studiò i moti relativi delle galassie dell’ammasso della Chioma 3.


Sappiamo che la materia oscura esiste nelle galassie, perché la è piatta anche a grandi distanze dal centro della galassia. La “” non è altro che un grafico di quanto velocemente le stelle di una galassia ruotano in funzione della loro distanza dal centro. La gravità predice che \(V = \sqrt (GM / R)\). La “M” indica tutta la massa che è racchiusa all’interno del raggio R. Una è piatta quando la velocità è costante, cioè che in qualche modo \(M / R\) è costante. Quindi questo significa che come andiamo sempre più in una galassia, la massa è in crescita anche se pare che le stelle finiscano. La naturale conseguenza se le le leggi di gravitazione sono corrette è che allora deve esserci una qualche forma di materia che non vediamo. Anche altre osservazioni cosmologiche indicano l’esistenza della materia oscura e, sorprendentemente, predicono all’incirca la stessa quantità!

Ma questo mistero rimase irrisolto e dimenticato fin verso il 1970, fin quando cioè Vera Rubin e il suo collega Kent Ford al Carnegie Institution di Washington D.C. iniziarono a collezionare le curve di luce delle galassie con lo spettrometro più sensibile che esisteva a quel momento. La coppia iniziò con la Galassia di Andromeda (o M31). La Rubin si aspettava di vedere le parti periferiche dei M31 muoversi più lentamente del nucleo, ma non fu così: la curva di velocità restituita dal sensibile spettrometro era, invece, piatta. Misurazioni analoghe verso altre galassie mostravano la stessa curva di velocità piatta.
Siccome nei quarant’anni successivi ai primi sospetti di Kaptein, Oort e Zwicky nessuno, o quasi nessuno, aveva cercato di studiare più a fondo il mistero delle insolite velocità stellari e galattiche, Vera Rubin e Kent Ford rimasero spiazzati da quell’insolita scoperta.
Un giorno Vera Rubin incominciò a scarabocchiare i dati sulla carta e capì che per risolvere il problema delle orbite stellari nelle galassie occorreva supporre che queste fossero immerse in un alone diffuso di materia invisibile, in modo che la maggior parte della massa non sarebbe stata racchiusa al centro, ma diffusa anche nelle zone più periferiche delle galassie.
Questa scoperta ha rivoluzionato il modo di intendere l’Universo quasi quanto l’inattesa scoperta della sua espansione (e anche della sua espansione accelerata). Eppure per questa straordinaria scoperta Vera Rubin più di altri avrebbe dovuto essere premiata col Nobel… ma non è successo.

L’Effetto Rubin-Ford

Rappresentazione artistica della WiggleZ survey, una ricognizione di oltre 200 000 galassie blu in un volume di circa 3 gigaparsec cubici (350 milioni di anni-luce). Credit: International Centre for Radio Astronomy Research – Perth, Australia.

Non è questa l’unica scoperta cosmologica che dobbiamo a Vera Rubin. A lei e a il suo collega Kent Ford dobbiamo la scoperta dell’anisotropia dell’Universo si scala di 100 milioni di anni luce, ossia dei filamenti di galassie e ammassi di galassie (nell’immagine in verde). Da un punto di vista topologico, l’Universo è isotropo su grandi scale, ma su scale appena più piccole esso è composto da vuoti e filamenti di galassie come se fosse una spugna. Questa anisotropia è conosciuta come Effetto Rubin-Ford [1] [2].

L’impegno sociale

Come Maria Mitchell, suo modello di vita, anche Vera Cooper Rubin fu sempre impegnata sul fronte dei diritti civili e sulle pari opportunità delle donne nel mondo accademico. Sosteneva che tre erano le grandi sfide che una donna avrebbe dovuto portare avanti nella sua carriera scientifica: dimostrare che non esiste alcun problema scientifico che possa venir risolto solo da un uomo e non da una donna; che metà dei cervelli nel mondo appartengono alle donne; che tutti gli esseri umani hanno diritto a contribuire alla scienza, ma che più spesso questo diritto è concesso agli uomini.
Pian piano le limitazioni che ha dovuto subire Vera Cooper Rubin durante la sua carriera scientifica vanno scomparendo, sempre più spesso, almeno formalmente, le donne vedono riconosciute le loro potenzialità.
In un’intervista del 2002 rilasciata al Discovery Magazine alla domanda: “Se potesse visitare un’altra galassia, quale sceglierebbe?” Vera Rubin rispose: “Andrei su Andromeda, perché in questo modo potrei guardare la nostra Galassia e capire com’è”.

  1.  Maria Mitchell fu una delle prime donne astronome e la prima donna americana ad acquistare il titolo di astronoma professionista. Nel 1847 scoprì una cometa, la C/1847 T1, in contemporanea con un altro astronomo, il gesuita italiano Francesco de Vito. La cometa diventò nota anche come la “cometa di Miss Mitchell” e ricevette il plauso e una medaglia d’oro dal re di Danimarca Federico VI. Maria Mitchell fu piuttosto popolare per il suo impegno nella causa abolizionista e per i diritti delle donne.
  2. A Jan Oort si deve la teoria dell’esistenza di una nube di nuclei cometari, la cosiddetta Nube di Oort, sorgente delle comete a lungo periodo che si estenderebbe, secondo le stime attuali, fino ai confini del nostro Sistema Solare, a circa 100 mila unità astronomiche dalla Terra
  3. Ammasso della Chioma, o Abell 1656, è un ammasso di galassie che si trova a circa 350 milioni di anni luce da noi, nella direzione della costellazione della Coma Berenice.

Riferimenti:

  1. .R.W. ‌Vera C, "Motion of the Galaxy and the Local Group determined from the velocity anisotropy of distant SC I galaxies. I. The data", http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?1976AJ.....81..687R&data_type=PDF_HIGH
  2. .R.W. ‌Vera C, "Motion of the Galaxy and the Local Group determined from the velocity anisotropy of distant SC I galaxies. II. The analysis for the motion", http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?1976AJ.....81..719R&data_type=PDF_HIGH

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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