Le profonde oscurità della materia oscura

Quando guardiamo il cielo notturno vediamo un sacco di stelle. Tutte le stelle che vediamo a occhio nudo fanno parte della nostra galassia, la Via Lattea. Ma da cieli più scuri del mio dalla periferia di Torino si vedono a occhio nudo due oggetti extragalattici: M31, la galassia di Andromeda, e M33, la galassia del Triangolo.

Da millenni l'uomo studia, nel cielo, quel che vede. Da 400 anni le leggi di Keplero (e poi la meccanica Newtoniana) rendono conto del movimento degli astri; quel che non torna con la meccanica Newtoniana è ben spiegato dalla Relatività Generale di Einstein. O quasi.

Nei primi decenni del '900 diventò chiaro, grazie ai nuovi telescopi americani, che le "nebulose" come M31 e M33 erano in realtà distanti galassie fatte di stelle, simili alla nostra (osservazione oggi possibile ad ogni astrofilo, fra l'altro, come si vede bene dalle foto sopra). In una galassia le stelle orbitano attorno ad un centro di massa comune (di solito coincidente con un enorme buco nero centrale), e quindi la distribuzione di velocità orbitali dovrebbe essere governata dalle leggi di Keplero. Invece si trova che la velocità di rivoluzione delle stelle di una tipica galassia a spirale è ben diversa, così:

Insomma, sembra che le stelle esterne, che dovrebbero orbitare attorno al centro della galassia a velocità inferiore (curva A, teorica), siano invece veloci come quelle interne (curva B, osservata). Dato che la velocità di rivoluzione è governata dalla distribuzione della massa della galassia, bisogna presumere che ci sia molta massa che non riusciamo a vedere; che non emette o riflette luce o altra radiazione elettromagnetica, quindi "oscura".

Sono stati proposti molti modi per spiegare i dati. Il primo è stato quello della "materia oscura barionica" ovvero composta da protoni e neutroni (detti barioni), come noi. Si ipotizza che esistano nubi di gas trasparenti, oppure popolazioni di stelle oscure (nane brune), o altri oggetti esotici. Purtroppo questa teoria non regge per molti motivi, teorici (sviluppo del big bang) e pratici (manca evidenza osservativa).

Invece esiste una evidenza osservativa, se non della materia oscura che è oscura (anzi invisibile) per definizione, dei sui effetti. Si hanno infatti "lenti di Einstein" ovvero zone in cui l'addensamento di materia (invisibile) distorce la luce degli oggetti che stanno oltre, causando effetti noti e misurabili, secondo le regole della relatività einsteniana.

Le lenti di Einstein sono gli archi che vedete, immagini deformate di galassie distanti. La massa che curva la luce è quella dell'ammasso in primo piano, la cui massa visibile non è però in grado di spiegare gli effetti misurati. Per spiegarli bisogna introdurre la materia oscura. C'è un'altra fantastica immagine, questa:

Si tratta di due ammassi di galassie interagenti, ovvero che si scontrano. Ciò che si scontra sono in realtà le nubi di gas (idrogeno neutro) che circondano le galassie; l'onda d'urto dello scontro riscalda il gas, che emette nei raggi X. L'emissione X, vista dal satellite Chandra, è colorata in rosso. Invece gli effetti di "gravitational lensing" sulle galassie di sfondo sono stati minuziosamente indagati nell'ottico, e il risultato è la distribuzione dell'alone di materia oscura attorno agli ammassi, in blu. L'immagine è di una grandiosità cosmica!

Alla fine, per poter giustificare le osservazioni risulta che il nostro universo (all'origine) è fatto di:

• atomi come me, voi e la Terra su cui posate i piedi, per il 12% (solo!)
• neutrini, leggerissimi, inafferrabili e numerosissimi, per il 10% (circa, molto circa)
• fotoni, i quanti di luce di Einstein, mediatori della forza elettromagnetica, per ben il 15%
• materia oscura, qualunque cosa sia, per un impressionante 63%.

Tralasciando un paio di decenni di ricerche, ora l'opinione più diffusa è che la materia oscura sia fredda e non barionica; che sia quindi composta da particelle che non interagiscono con la materia barionica. Dato che queste particelle non interagiscono con i fotoni risultano invisibili, e l'unica speranza di rivelarne la presenza è tramite una piccolissima probabilità di interazione con la materia ordinaria. Finora ci sono stati alcuni indizi, ma nessuna rivelazione certa; e il mistero continua.

Insomma, la scoperta della necessità della materia oscura ha mandato in crisi una parte della fisica moderna. Non ostante l'innegabile successo delle teorie correnti, da Newton ad Einstein, dalla meccanica quantistica al modello standard delle particelle fondamentali, che spiegano grandissima parte dell'Universo, nessuna di queste prevedeva l'esistenza di una così rilevante massa non visibile.

Ma non finisce qui... come se la materia oscura non bastasse a scombussolare i sonni dei fisici, due decenni fa differenti gruppi di lavoro riscontrarono che tutto l'Universo è in espansione accelerata. Secondo i modelli cosmologici correnti e le osservazioni basate soprattutto sullle misure del fondo cosmico a microonde (CMB) , l'Universo dovrebbe essere "piatto": la sua geometria è euclidea, si espande indefinitamente ma con velocità di espansione decrescente. Invece si trova che l'espansione dell'universo ha accelerato a partire da una decina di miliardi di anni a questa parte. Si presume che la causa dell'acelerazione sia una nuova forma di energia, ovviamente detta oscura o "dark", che – udite udite – compone il 68% della massa dell'Universo.

Anche questo non era stato previsto da nessuno; e la mancata previsione (e mancata spiegazione teorica, finora) resta uno dei grandi problemi aperti della fisica, uno di quei problemi che fanno scrivere libri che dubitano fortemente che la fisica contemporanea sia sul binario giusto per arrivare ad una Teoria del Tutto che dovrebbe speiegare, fra l'altro, materia oscura e energia oscura. Penso ai libri di Lee Smolin, che devo ancora finir di leggere (tutta colpa di Juhan, naturalmente).

Prima di Copernico, Tycho, Keplero e Galileo la Terra era al centro dell'Universo. Poi siamo stati sbalzati in un sistema solare, e successivamente alla periferia di una Galassia. Ancora, le galassie sono tantissime, centinaia di miliardi, ognuna con le sue centinaia di miliardi di stelle, e la nostra Via Lattea non è nulla di speciale; una grossa galassia, in un ammasso (il Gruppo Locale), parte di un superammasso, e così via. Poi è venuto il dubbio che questo Universo non sia l'unico, ma possano esistere infiniti Universi, fra loro non comunicanti. Sapevamo di essere fatti di polvere di stelle,la materia che fa l'Universo, ne eravamo ragionevolmente sicuri; ora scopriamo che anche la polvere di stelle non è tutto, ma una piccola minoranza di materia barionica in un oceano di ... non sappiamo cosa. E anche questo oceano è sospinto e spazzato da onde di energia oscura che lo sovrastano, e di cui sappiamo ancor meno.

Però dato che la cosmologia è assolutamente affascinante, come diceva Leopardi "il naufragar m'è dolce in questo mare". Viva le minoranze.

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Per approfondire: bellissimo "Il buio oltre le stelle - L'esplorazione dei lati oscuri dell'universo" del grande Amedeo Balbi. Le pagine di Wiki su "dark matter" e "dark energy" hanno decine e decine di link. Tutto dipende dalla voglia e dal tempo che avete per perdervi - in questo campo l'elenco dei link da leggere è un frattale... ma potreste anche cominciare da questo video,

Buon viaggio, e grazie a Juhan per avermi tirato per la manica ;-)

Dimenticavo i diritti di autore: la straordinaria immagine di M31 è dell'amico Leonardo Orazi, e la trovate qui - strettamente consigliato scaricarla a risoluzione completa. M33, poverina, è mia; il resto da Wiki, santa Wikipedia di noi ignoranti.

Post post scriptum: quello che gli astrofili di oggi fanno con telescopi da 25 centimetri avrebbe fatto impallidire gli astronomi di ottant'anni fa. Ma questa è un'altra storia...