Materia oscura

In cosmologia con materia oscura si definisce un’ipotetica componente di materia che, diversamente dalla materia conosciuta, non emetterebbe radiazione elettromagnetica e sarebbe attualmente rilevabile solo in modo indiretto attraverso i suoi effetti gravitazionali.

L’ipotesi nasce per giustificare diverse osservazioni sperimentali in base alle quali, secondo le leggi della gravitazione, la materia oscura dovrebbe costituire quasi il 90% della massa presente nell’universo.

Nonostante dettagliate mappe che coprono lo spettro delle emissioni elettromagnetiche nell’Universo vicino dalle onde radio ai raggi gamma, si è riusciti a individuare solo circa il 10% della massa che risulterebbe dagli effetti gravitazionali osservabili.

Il concetto di materia oscura ha senso all’interno dell’attuale modello standard della cosmologia basato sul Big Bang per due ragioni fondamentali:

• non si potrebbe altrimenti spiegare la formazione di galassie e ammassi di galassie nel tempo calcolato dall’evento iniziale del Big Bang stesso.
• in uno scenario cosmologico come l’attuale, che prevede come unica forza cosmologica la gravità, non si spiegherebbe come le galassie si possano mantenere integre, dato che la materia visibile, composta da barioni, non è in grado di sviluppare una sufficiente attrazione gravitazionale.

Invece, se il modello dovesse risultare errato, si potrebbe non avere necessità dell’ipotesi della materia oscura, giacché essa deriva solo dalla violazione di un modello matematico e non da alcuna dimostrazione sperimentale certa.

Potenziali prove della materia oscura

La rotazione delle Galassie

Un’importante prova osservativa della necessità della materia oscura è fornita dalle curve di rotazione delle galassie a spirale. Queste galassie contengono una vasta popolazione di stelle poste su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Come accade per le orbite planetarie, in base alla seconda legge di Keplero le stelle con orbite galattiche più grandi dovrebbero avere velocità orbitali minori, ma tale legge è applicabile soltanto a stelle vicine alla periferia di una galassia a spirale poiché presuppone che la massa racchiusa dall’orbita sia costante.

Tuttavia gli astronomi hanno condotto osservazioni delle velocità orbitali delle stelle nelle regioni periferiche di un gran numero di galassie spirali e in nessun caso esse seguono la seconda legge di Keplero: invece di diminuire a grandi raggi, le velocità orbitali rimangono con ottima approssimazione costanti. L’implicazione è che la massa racchiusa da orbite di raggio via via maggiore aumenti anche per stelle che sono apparentemente vicine al limite della galassia. Sebbene si trovino presso i confini della parte luminosa della galassia, questa ha un profilo di massa che apparentemente continua ben al di là delle regioni occupate dalle stelle.

Considerando le stelle presso la periferia di una galassia spirale, con velocità orbitali osservate normalmente di 200 chilometri al secondo, se la galassia fosse composta solo dalla materia visibile queste stelle l’abbandonerebbero in breve tempo, dato che le loro velocità orbitali sono quattro volte più grandi della velocità di fuga dalla galassia. Dato che non si osservano galassie che si stiano disperdendo in questo modo, al loro interno deve trovarsi massa di cui non si tiene conto quando si calcola tutta quella visibile.

Le lenti gravitazionali

Un’altra possibile prova dell’esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali. La massa visibile risulta insufficiente per creare una lente gravitazionale, per cui si prefigura la presenza di massicce quantità di materia oscura, ottenendo una massa totale in grado di deviare il percorso della luce.

La deviazione della luce

Nel 2008 si ebbe un ulteriore importante indizio della presenza di materia oscura. Inoltre gli studiosi osservarono migliaia di immagini per verificare la deviazione che la luce subiva nel suo viaggio cosmico. Da ciò constatarono che essa veniva deviata anche in punti dove non erano visibili masse. Le osservazioni di questi effetti gravitazionali costituiscono uno dei maggiori indizi dell’esistenza di materia oscura.

Altri aspetti sperimentali

Il 21 agosto 2006 la NASA ha rilasciato un comunicato stampa secondo cui il telescopio spaziale Chandra avrebbe trovato prove dirette dell’esistenza della materia oscura nello scontro tra due ammassi di galassie. All’inizio del 2007 gli astronomi del Cosmic Evolution Survey e Hubble Space Telescope hanno tracciato una mappa della materia oscura rilevando che questa permea l’universo; ove si trova materia visibile deve essere presente anche grande quantità di materia oscura. Tuttavia questa è presente anche in zone dove non si trova materia visibile.

Il 3 aprile 2013 gli scienziati della NASA hanno riferito che i primi risultati dell’esperimento Alpha Magnetic Spectrometer sulla Stazione Spaziale Internazionale evidenziano un eccesso di positroni ad alta energia nei raggi cosmici, di cui una delle cause potrebbe essere la presenza di materia oscura.

Ipotesi sulla materia oscura

In letteratura sono comparse numerose teorie per spiegare la natura della cosiddetta “massa mancante”, legate a diversi fenomeni. La materia oscura sarebbe localizzata nel “nero” che circonda le stelle e viene distinta fondamentalmente in barionica e non barionica:

• La materia oscura barionica è quella composta da materia del tutto simile a quella che costituisce le stelle, i pianeti, la polvere interstellare, ecc., che però non emette radiazioni. Altri possibili costituenti della materia oscura barionica sono stati indicati nei MACHO (Massive Compact Halo Objects), oggetti compatti di grande massa dell’alone galattico.
• La materia oscura non barionica è rappresentata principalmente dalle ipotetiche particelle WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), particelle supersimmetriche quali neutralini, o neutrini massicci, o assioni o altre particelle mai osservate e soggette solo alla forza gravitazionale e all’interazione nucleare debole.

Tre tipi di esperimenti cercano di rivelare queste particelle:

1. la loro produzione in acceleratori di particelle
2. l’osservazione dell’energia che dovrebbero rilasciare quando urtano con la materia ordinaria
3. le annichilazioni fra particelle di materia oscura presenti attorno al centro della galassia o del sole potrebbero dare particelle normali, quali neutrini, positroni, anti-protoni.

Altre ipotesi…

Ulteriori ipotesi riguardano i buchi neri primordiali, le stelle brune, le stelle solitoniche, le stelle di bosoni, le pepite di quark.

Si pensa che almeno il 90% della materia oscura sia non barionica. Essendo l’abbondanza cosmica del deuterio estremamente sensibile alla densità della materia, una densità maggiore avrebbe per conseguenza una presenza di deuterio molto più bassa. Al contrario, l’abbondanza di deuterio osservata è compatibile con la densità della materia rilevabile.

Viene fatta una distinzione anche in:

• Materia oscura fredda, rappresentata essenzialmente dalle ipotetiche particelle “lente” WIMP
• Materia oscura calda, rappresentata dai neutrini che sono particelle superveloci.

Nella teoria delle stringhe, in particolare nelle varianti del mondo-brana e dell’universo ecpirotico, la materia oscura è la forza di gravità costituita da stringhe.

Teorie alternative

Una minoranza di ricercatori ha proposto spiegazioni alternative alle osservazioni. Tra questi:

• Arrigo Finzi, teoria modificata della gravitazione, 1963
• John W. Moffatt, gravitazione non simmetrica (NGT, Nonsymmetric Gravitational Theory), 1994
• Mordehai Milgrom, teoria MOND, acronimo di Modified Newtonian Dynamics (dinamica newtoniana modificata), 1981.
• Jacob Bekenstein, tensor-vector-scalar gravitation (TeVeS), 2004.
• Dragan Slavkov Hajdukovic fisico del CERN ha proposto una nuova teoria che ipotizza la materia oscura come un’illusione creata dalla polarizzazione gravitazionale.
• Alexander Kashlinsky, ricercatore presso il Goddard Space Center della NASA ha ipotizzato che la materia oscura sia costituita da buchi neri primordiali. Tale ipotesi è stata proposta studiando i dati sulle radiazioni infrarosso  nelle stesse regioni di cielo.

Tuttavia nessuna singola teoria è stata finora del tutto accettata dalla comunità astronomica poiché attualmente impossibile da verificare in modo risolutivo.