La scoperta della materia oscura, assieme all’energia oscura, è probabilmente una delle scoperte più rilevante negli ultimi anni. Questo nuovo tipo di materia si estende per tutto l’universo ed è diverso da quella tradizionale, detta materia ordinaria, di cui sono composte le stelle, i pianeti, il gas, la polvere cosmica e persino noi. Quest’ultima infatti comprende solamente il 5% dell’universo, ciò significa che il restante 95% è composto da materia oscura ed energia oscura, rispettivamente 27% e 68%. Viene chiamata “oscura” poiché risulta molto difficile rilevarla e la sua densità è talmente grande che da essa dipende il destino dell’intero universo. Prima di questa scoperta credevamo che l’universo fosse composto esclusivamente da materia ordinaria, mentre ora sappiamo che essa è invece una porzione davvero piccola.
Cos'è?
Purtroppo le attuali teorie della fisica non sono sufficienti a comprendere l’esistenza e le proprietà di tale materia. Sappiamo che essa si trova ovunque, è molto abbondante ed invisibile, è distribuita in maniera disomogenea e forma enormi nubi sia all’interno che intorno alle galassie, ma anche in aree apparentemente vuote. Potrebbe essere costituita da particelle elementari a noi sconosciute che magari ci stanno attraversando proprio in questo momento. Per analizzarla potremmo aver bisogno di una fisica ancora sconosciuta, di cui già sono presenti numerose teorie, come l’esistenza di più dimensioni oltre alle tre tradizionali. Attraverso vari esperimenti ora siamo capaci di riprodurre la materia oscura artificialmente all’interno dei moderni acceleratori di particelle.
Come l’abbiamo scoperta?
Le prime prove della sua esistenza sono state date dal potente effetto gravitazionale della materia oscura sulle stelle. Grazie ad Isaac Newton, con la legge di gravitazione universale, ovvero che due corpi qualunque si attraggono, è possibile determinare la massa e l’orbita dei pianeti e con la sua equazione possiamo ricavare la velocità del corpo semplicemente sapendo la massa dell’altro corpo, la distanza tra i due corpi e la costante gravitazionale, in cui la velocità è direttamente proporzionale alla massa e inversamente proporzionale alla distanza. Newton dimostrò che orbite seguono i pianeti e che la sua equazione le descriveva perfettamente, poi dimostrò che i pianeti si muovono in questo modo perché “cadono” incessantemente attorno al sole.
Negli anni successivi Rubin e Ford determinarono la massa della via Lattea; per ottenere la massa dell’intera galassia bisognava determinare le masse di tutto ciò all’interno di essa. Perciò bisognava utilizzare lo stesso procedimento usato da Newton per misurare la massa del Sole, studiando le velocità delle stelle che orbitano attorno alla galassia e utilizzando l’equazione sopra citata per ottenere la massa della galassia che definisce tali velocità. Siamo così in grado di sapere la distribuzione della massa nella galassia poiché, considerando le velocità delle stelle a diverse distanze dal centro, abbiamo la quantità di massa che circonda la stella. Fu molto complicato misurare la massa di ogni stella presente all’interno della Via Lattea, non era più possibile farlo con un telescopio come per la Luna e i pianeti poiché troppo lontane e all’apparenza dalla posizione immutabile. Utilizzando la tecnica dell’effetto Doppler fu possibile, per la prima volta, misurare correttamente l’intera massa della galassia e la sua distribuzione nella galassia stessa, con un risultato sconvolgente. Nella periferia le stelle e i gas si presentano in quantità minore, perciò, siccome andando più lontano si trova sempre meno materia, secondo l’equazione di Newton, la velocità sarebbe dovuta diminuire con l’aumento della distanza dal centro. Il risultato, però, non fu quello ottenuto da Rubin e Ford. I due scoprirono che la velocità, nonostante la distanza diventasse sempre più grande, rimaneva più o meno la stessa. La spiegazione più semplice di questo fenomeno portava ad una scoperta rivoluzionaria, ovvero che oltre ad una materia visibile ve n’è anche una invisibile che contiene molta più massa della prima ed è presente in tutta la galassia. Nell’equazione viene così compensata la grande distanza con una grande massa da cui la stella è attratta, cosicché la velocità non diminuisca ma rimanga pressoché costante. Rubin e Ford per confermare questa nuova teoria studiarono più di sessanta galassie, tutte presentavano lo stesso fenomeno della prima, questa fu la prima vera e propria prova dell’esistenza della materia oscura; ciò la fece divenire una tra le priorità della ricerca astrofisica.
“Nelle galassie a spirale la proporzione tra materia oscura e materia luminosa è di dieci a uno. Questa forse è anche la proporzione tra la nostra ignoranza e il nostro sapere.”
Vera Rubin
Scritto da Andrea Ronci 5A
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