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La Materia Mancante

“L'essenziale è invisibile agli occhi” - “Il Piccolo Principe” - Antoine De Saint Exupery 
 
 
Definiamo, semplicemente,  “materia” tutto ciò che occupa spazio è che è formato da particelle dotate di massa (ossia composto da atomi)
 
Le materia si manifesta in natura in due modi:
 
- interagendo con la materia circostante grazie alla forza di gravità (e con una regola ben precisa definita “Legge di Gravitazione Universale”)
 
- emettendo energia, ossia radiazione elettromagnetica: ogni corpo con temperatura superiore allo zero assoluto emette fotoni
 
Proprio grazie all'energia ed agli effetti gravitazionali della materia riusciamo a stimare la massa di una stella così come la distribuzione di materia all'interno di una galassia o di un ammasso di galassie.
 
Le interazioni gravitazionali sono, ad esempio, fondamentali nel caso di un sistema binario: già nel 1844,   studiando i movimenti di una coppia di stelle “abbastanza” vicine, F.W. Bessel determinò che i movimenti orbitali di Sirio erano influenzati da un oggetto non visibile ma di massa simile,determinazione che fui poi riconfermata 18 anni dopo con la scoperta della compagna di Sirio da parte di A.G. Clark.
 
La temperatura (e quindi l'energia) invece ci consente di determinare la massa di una stella grazie all' equazione che regola il rapporto esistente tra la massa di una stella e la sua luminosità (c.d. relazione massa-luminosità)
Grazie al lavoro di Arthur Eddington sappiamo che la massa di una stella ne definisce la luminosità in modo molto semplice: le stelle di massa maggiore sono più luminose delle stelle di massa minore. 
 
Stimata quindi la massa di una galassia osservandone la luce “visibile”, le osservazioni empiriche degli effetti gravitazionali avrebbero dovuto corrispondere ai risultati determinati dall'applicazione della Legge di Gravitazione Universale: in base alla materia visibile e ad i suoi conseguenti effetti gravitazionali le stelle più lontane dal centro galattico avrebbero dovuto ruotare molto più lentamente. 
 
E invece...
 
 
Studiando la dinamica delle galassie spirali, ed in particolar modo studiando il moto delle stelle poste nelle regioni periferiche, i risultati hanno dato evidenza di quanto queste ruotino più velocemente di quanto atteso e che la loro velocità di rotazione rimanga costante rispetto alla distanza dal centro galattico anziché decrescere.
 
 
Il movimento osservato fa quindi presupporre che le galassie siano composte da molta più materia di quella che riusciamo a vedere sotto forma di energia osservandone la luce.
 
La materia attualmente “visibile” dell'Universo non è quindi sufficiente a spiegarne le dinamiche ed i risultati delle osservazioni empiriche sono giustificati solo ipotizzando la presenza di altra materia che non riusciamo a vedere e di natura diversa da quella ordinaria.

 

 
E' per questo che definiamo la materia mancante “oscura” : non siamo in grado di osservarne la radiazione ma possiamo vederne chiaramente gli effetti gravitazionali.
 
 
 
Gli effetti della materia oscura sulla materia circostante sono inoltre riscontrabili grazie al fenomeno del Lensing (o lente gravitazionale): infatti, la massa di un oggetto posto tra un oggetto che emette “luce” ed il punto di osservazione flette la radiazione emessa da quest'ultimo creando un effetto ottico analogo a quello di una lente.

 

 

 

 

Osservando due imponenti ammassi di galassie (Abell-2218 e Abell-1689) e valutando la dinamica della luce flessa che presentava deviazioni di luce laddove non erano presenti masse visiili si è considerato che questi fossero composti per la gran parte di materia oscura.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Il Modello Standard basato sulla Cold Dark Matter prevede una densità di materia oscura talmente alta al centro degli ammassi di galassie da tenere ben fissa al centro degli stessi la Galassia Cluster Maggiore (BCG, Brighter Cluster Galaxy): si tratta della galassia maggiore, incastonata in una materia oscura talmente densa da non potersi muovere, nel modo più assoluto. Le osservazioni, però, sembrano non andare d'accordo con questo fattore: le osservazioni del EPFL Laboratory of Astrophysics in Francia hanno infatti mostrato dei movimenti della BCG al centro di ammassi galattici e lo stesso risultato è stato osservato tramite lenti gravitazionali. Anziché una densa regione centrale di materia oscura, quindi, sembra di trovarsi in una zona meno densa del previsto a evidenziare come la materia oscura, se esiste, è ancora più esotica di quanto ipotizzato fino al momento della scoperta (Ottobre 2017, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society). 
 
Come dichiarato da  Bruce H. Margon, astronomo all'Università di Washington, in occasione di un intervista al New York Times nel 2001: 
 
“E' una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90% [della materia] dell'Universo” 
 
Ma di cosa è composta la materia mancante?
 
Materia Oscura Barionica
Una prima ipotesi è che possa essere composta da gas non luminosi, buchi neri, stelle di neutroni, nane bianche ed oggetti non luminosi come pianeti gioviani e nane brune presenti nell'alone delle Galassie (definiti con l'acronimo MACHO – Massive Compact Halo Objects)
L'equilibrio chimico dell'Universo smentisce però in parte questa tesi. Sappiamo che la struttura chimica dell'Universo, quindi la proporzione degli elementi che lo compongono, si è stabilizzata circa tre minuti dopo il Big Bang.
L'attuale abbondanza di deuterio è coerente con la massa visibile, quindi la quantità di materia oscura barionica è molto più piccola della quantità complessiva della materia oscura “necessaria” all'equilibrio gravitazionale osservato.

Composizione della materia barionicaAttraverso l'osservazione insistita di un quasar distante da parte di XMM-Newton è stato possibile rivelare la presenza di materia barionica che, secondo i calcoli, dovrebbe esistere e che finora era segnata come "mancante". I barioni mancanti all'appello sono circa il 40% di quelli che i modelli ci indicano come esistenti e sempre secondo i modelli dovrebbero essere ammassati nei filamenti di gas che raccordano le galassie tra di loro. Il quasar osservato tra il 2015 e il 2017 per un totale di tre settimane si chiama 1ES 1553+113 e ha rivelato, dato il lungo tempo di esposizione, righe spettrali debolissime finora mai osservate e rincoducibili a barioni presenti nel mezzo intergalattico caldissimo. Quantità e posizione coincidono con le predizioni, quindi uno dei misteri della cosmologia di oggi sembra risolto

 
Neutrini
I neutrini sono particelle elementari prodotte dalle reazioni termonucleari che avvengono all'interno delle stelle, dalle esplosioni delle supernovae oppure residui del Big Bang (neutrini fossili).
Hanno carica elettrica neutra e fino a poco tempo fa si pensava che fossero privi di massa;
la scoperta della massa del neutrino però non ha svelato la natura della materia mancante: anche ipotizzando di considerarla nella misura maggiore stimata essa non è ancora sufficiente a spiegare la quantità di materia oscura “necessaria”.
 
Legge di gravitazione NON universale:
Un' altra delle ipotesi è che la Legge di Gravitazione di Newton non sia universale, cioè non sia valida se applicata su distanze pari alla dimensione di una galassia.
La Legge stabilisce che due corpi si attraggono con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle masse dei singoli corpi e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, se applicata su grandi distanze l'attrazione gravitazionale invece di diminuire al crescere del quadrato della distanza, potrebbe ..semplicemente.. diminuire al crescere della distanza.
 
WIMPs
WIMPs è l'acronimo di Weakly Interacting Massive Particle: particelle ipotetiche, mai osservate, che interagiscono con la materia solo tramite la forza di gravità e la forza nucleare debole.
La loro natura ipotetica le rende, a tutt'oggi, un candidato ancora non idoneo.
 
Dalla scoperta della materia oscura molte ipotesi sono state fatte sulla sua natura, ma ad oggi, come scritto dalla grande Astrofisica Margherita Hack ,
 
“resta più facile dire quel che la materia oscura non è, piuttosto che quel che è”
 
 
Gli aloni di materia oscura che circondano gli ammassi galattici possono trovare vantaggi da un fenomeno chiamato splashback. Ogni galassia ha un alone di materia oscura che accumula materia gravitazionalmente e in maniera continua. La materia attratta diventa sempre più veloce fino a che non va a finire nell'alone, cambia direzione e inizia a orbitare. Queste evoluzioni vengono chiamate splashback visto che la materia in un certo senso sta tornando indietro. A poco a poco la materia rallenta e visto che questo effetto si verifica in direzioni molto diversificate si verifica un accumulo di materia proprio al margine dell'alone, con forte diminuzione della quantità di materia al di fuori di questa zona orbitale. 
Per testare il fenomeno è stato utilizzato il metodo della microlente gravitazionale. 
 

Immagine composita di M87 con i dati di Chandra (blu) e quelli del VLA in rosso-arancio. Teorizzati per spiegare apparenti violazioni alla simmetria di base, gli assioni sono particelle indicate come possibile "materia oscura" anche se - come per il resto - non se ne vede traccia. Nessuna traccia è risultata anche nell'esperimento di fine 2017 portato avanti dal CfA: per la teoria, in presenza di campo magnetico gli assioni interagiscono con i fotoni dando vita a oscillazioni che portano a trasmutazioni tra fotoni e assioni stessi. Proprio per questo motivo è stata puntata la galassia M87 con Chandra X-Ray Observatory, al fine di osservare variazioni nei flussi X visto che le oscillazioni dovrebbero essere maggiori in presenza di maggiori energie nei fotoni. Nulla, come detto, è risultato ma anche questo può essere un buon risultato visto che si fissano paletti ancora più stringenti alle condizioni alle quali gli assioni (se esistono) devono sottostare per dar vita alle oscillazioni teorizzate.

Assorbimento e emissione nelle osservazioni di Hitomi. Credit NASA/CXC/M. WeissAnche nuove analisi dei dati possono portare a risultati, come nel caso dell'analisi dei dati di Chandra, XMM-Newton e Hitomi. Nel 2014 i dati hanno evidenziato uno spike di intensità ad una ben specifica energia (3.5 keV) nei dati di Chandra e XMM-Newton,  energia proveniente da gas caldo nell'ammasso galattico del Perseo. Si tratta di un picco impossibile da spiegare stando alle conoscenze attuali dell'oggetto astronomico, e per questo motivo già da allora venne chiamata in causa la materia oscura. Stessa eccedenza a 3.5 keV si è avuta in altri 73 ammassi galattici, secondo i dati di XMM-Newton. 

Ancora 3.5 keV sono stati registrati nella galassia M31 da un team di lavoro diverso dal team dei primi risultati, a conferma dell'anomalia riscontrata. Nel 2016 l'osservatorio giapponese Hitomi fallì nel tentativo di osservare l'emissione nell'ammasso del Perseo ma questo, anziché bloccare il ramo di ricerca, lo ha intensificato. I risultati di Hitomi provengono da immagini molto più confuse di quelle di Chandra quindi i dati sono in realtà ciò che risulta da un mix di raggi X provenienti da due fonti e non da una sola: gas caldo diffuso e raggi X dal buco nero supermassiccio centrale. Il segnale è stato così compreso, isolato e normalizzato. 

Rielaborando i dati di Chandra del 2009, però, è stato osservato qualcosa di sorprendente: non un picco a 3.5 keV ma addirittura una lacuna, come se qualcosa nell'ammasso stesse assorbendo energia a quella ben precisa frequenza. Come spiegare un simile comportamento? Assorbimento di raggi X osservando il buco nero e emissione alla stessa energia osservando il gas caldo, per un totale che va in pareggio e spiega alla perfezione il "nulla di fatto" ottenuto da Hitomi. 

Una possibile spiegazione porta alla materia oscura: le particelle oscure potrebbero avere due stati energetici separati a 3.5 keV. Se questo fosse vero, allora potrebbe essere possibile osservare un assorbimento a 3.5 keV in angoli prossimi al buco nero e una riga di emissione a più largo campo. 

Rappresentazione materia oscuraA inizio 2018 un nuovo modello di materia oscura sembra segnare un distacco dalla battutissima ricerca di Wimps, ipotizzando una materia oscura composta di particelle molto più leggere di quanto non lo siano quelle oggetto di attuale ricerca. Sulla base della riga di emissione nello spettro X (3.5 keV) osservata nel 2014 provenire da diversi oggetti distanti e potenzialmente legata a decadimento di particelle di materia oscura, un team della Mainz University ipotizza uno scenario dato dallo scontro e dalla conseguente annichilazione tra due particelle di materia oscura. Le particelle sarebbero fermioni con massa di pochi keV (neutrini sterili), ma una materia oscura così leggera faticherebbe a spiegare la formazione di oggetti enormi come le galassie, che secondo i modelli "tradizionali" di materia oscura nascono proprio in aloni di questa sfuggente materia. La via d'uscita esiste e consiste nella scomposizione dell'annichilazione in due fasi, passando attraverso uno stato intermedio che darà vita, in seguito, all'emissione X osservata nel 2014.

Via Lattea, rappresentazioneDal 2009 si sta tentando di osservare in via diretta l'interazione tra materia oscura e nuclei di xeno posti in profondità: eventuali collisioni genererebbero, come su un tavolo da biliardo, uno spostamento dell'atomo dipendentemente da massa e velocità della particella oscura. Ad oggi nulla è mai stato osservato, il che può dipendere dall'inesistenza della materia oscura o da parametri troppo bassi di massa e velocità, non in grado di muovere l'atomo conosciuto. Per capire quale delle soluzioni sia valida sarebbe fondamentale riuscire a comprendere la velocità della materia oscura e questo potrebbe essere un parametro rintracciabile nella nostra Galassia. Partendo dal presupposto per il quale la materia oscura dovrebbe essere coeva delle stelle più antiche della Via Lattea e che le due componenti dovrebbero essere nate insieme, si può ipotizzare che anche il movimento possa essere solidale quindi occorrerebbe andare a verificare l'esistenza di un set di stelle antiche, riconoscibili dalla scarsità di metalli, con movimenti in linea con i movimenti (dedotti) della materia oscura. La velocità di queste stelle dovrebbe essere la stessa velocità della materia oscura. Allo stato attuale il set di stelle non è ancora stato isolato, ma la survey di Gaia sarà sicuramente utile anche in tal senso. 

La riga di emissione a 3.5 keV che da anni fa pensare alla traccia lasciata dalla materia oscura è stata osservata anche da una sorgente galattica, il che - se confermato - potrebbe aiutare molto nella comprensione della materia oscura e del suo processo di decadimento (26/02/2018 - "The Astrophysical Journal "Searching for the 3.5 keV Line in the Deep Fields with Chandra: The 10 Ms Observations" - Nico Cappelluti et al.)

 

Centaurus A

Centaurus A

Secondo il modello Lambda Cold Dark Matter, ciascuna galassia è nata all'interno di un alone di materia oscura, grande per le galassie più grandi e ridotto per quelle nane. Sempre secondo questo modello, le galassie nane si dispongono intorno alle galassie maggiori in modo del tutto randomico e con moti altrettanto casuali. Soltanto in una occasione su mille, statisticamente, le galassie agiscono come satelliti ordinati sul piano galattico ma questa volta su mille sembra essere stata osservata su Centaurus A. Una su mille oppure crisi del modello Lambda Cold Dark Matter? In realtà i problemi nascono dal fatto che simili comportamenti sono stati evidenziati anche nei pressi della Via Lattea e di Andromeda, quindi siamo già a tre tra le galassie per le quali si hanno più informazioni, un campione che diventa molto elevato e che necessita di un approfondimento al fine di rivedere i modelli o, peggio ancora, le basi del Modello Standard.

Materia oscura e galassie nane

Materia oscura e galassie nane: la quantità stimata in Eridanus II è molto inferiore alle attese

Un nuovo metodo per stimare la materia oscura all'interno delle galassie nane è stato sviluppato a inizio 2018 presso la University of Surrey. Le galassie nane, e le più piccole tra di esse, contengono poche stelle e quindi poco materiale barionico e spesso orbitano intorno alle galassie maggiori come la nostra. Sono formate in netta prevalenza da materia oscura. Se la distribuzione della materia oscura fosse mappata, potrebbe fornire importanti informazioni riguardo la sua natura ma il moto delle poche stelle non aiuta. Il nuovo metodo esamina gli ammassi stellari e la loro espansione dimensionale, legata ai campi gravitazionali delle stelle ma anche alla distribuzione della materia oscura nella galassia che li ospita. Le simulazioni mostrano come la struttura degli ammassi stellari sia sensibile alla modalità di addensamento della materia oscura. Nella galassia nana ultra-debole Eridanus II il modello è stato applicato riscontrando una quantità di materia oscura decisamente bassa, inferiore a quanto modelli precedenti hanno raccontato. 

Sempre dalle galassie nane potrebbero venire segnali di materia oscura laddove questa fosse composta da buchi neri primordiali, formatisi quindi dal diretto collasso del gas o da altri processi ancora tutti da dimostrare. Se gli aloni galattici fossero composti di buchi neri di questo tipo genererebbero una distribuzione di stelle di alone differente e questo sarebbe tanto più evidente quanto meno brillante e densa fosse la galassia studiata. Le simulazioni hanno detto che la presenza di questi buchi neri primordiali (con masse necessarie tra le 2 e le 14 masse solari) sarebbe riscontrabile tramite alterazioni nella distribuzione stellare, ma finora nulla è stato mai osservato.

Analisi galassie naneLe galassie nane dovrebbero contenere una quantità elevatissima di materia oscura e proprio questo ha indotto un team di astronomi, a metà 2018, a misurare l'accelerazione radiale della materia interna a questi oggetti. La relazione di accelerazione radiale descrive la relazione tra l'accelerazione subita dalla presenza della materia galattica e quella causata dalla sola materia visibile, il che è indice della struttura delle galassie. Si tratta di un approccio che dà per scontata l'esistenza della materia oscura e che vede le galassie minori come versioni più piccole di quelle maggiori. In assenza di materia oscura, la velocità radiale di una galassia-nana-satellite dipenderebbe molto dalla vicinanza della galassia-madre e questo può essere un indicatore molto rilevante. Un aiuto potrà venire da Gaia.

La galassia ultradiffusa NGC 1052-DF2. Credit NASA

La galassia ultradiffusa NGC 1052-DF2. Credit NASA

La ricerca della materia oscura va avanti ma i risultati stentano da anni, eppure la galassia NGC1052-DF2 sale alla ribalta a inizio 2018 per l'assenza di materia oscura, qualcosa che non si lega al modello cosmologico generalmente accettato e che vede galassie e materia oscura andare avanti di pari passo, nascendo da un ammasso di materia oscura che con il tempo acquisisce gas e polvere. I dati sulla galassia ribelle vengono dal Gemini North e dal Keck Observatories, alle Hawaii, nonché da Hubble Space Telescope in maniera principale. Si tratta di una galassia ultra-diffusa totalmente priva (o quasi) di materia oscura, una categoria di galassie già esistente ma l'ultima trovata assume carattere peculiare anche all'interno di questa già strana categoria. La possibilità che la materia sia stata catturata da altre galassie è tramontata quando le osservazioni hanno evidenziato la mancanza di qualsiasi forma di interazione con altri oggetti cosmici, sebbene si trovi a 65 milioni di anni luce in un gruppo di galassie dominato dalla gigante ellittica NGC 1052. Al suo interno sono stati osservati dieci ammassi globulari e tutti si muovono a velocità inferiori a quanto atteso, il che è indice di una massa relativamente piccola. Sembra quindi che il moto dei globulari sia ben spiegato semplicemente dalla massa delle stelle visibili, senza bisogno di materia oscura
Se tutto questo è vero (quindi se la materia oscura esiste realmente), i risultati mostrano come la materia oscura sia una componente in grado di separarsi dalle galassie, magari in seguito a eventi catastrofici come una improvvisa accensione di nuove stelle con conseguenti onde d'urto legate ai venti.

Fonti
Stephen W. Hawking - Buchi Neri e Universi Neonati
Stephen W. Hawking - La Grande Storia del Tempo
Margherita Hack - L'Universo nel Terzo Millennio
Wikipedia - Lente_gravitazionale
Wikipedia - Neutrino
 
 

 

 


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