L'Universo visibile - Terra, Sole, pianeti, galassie, ammassi di galassie - riempiva di rinnovata meraviglia la mente di Immanuel Kant. Si sarebbe meravigliato ben di più se avesse capito che "il cielo stellato sopra di lui" è solo un ventesimo (il 5%) di tutta la roba che c'è nel cosmo. Il 95% è materia oscura che non si vede. Lo si sapeva da decenni - ma non c'erano prove dimostrate "ai sensi e all'esperienza" - come voleva Galileo.
Ora, però, la materia oscura è stata localizzata e misurata da Joerg
Dietrich e collaboratori. La notizia è grossa, ma se ne è parlato molto meno di quanto si è scritto e detto sul bosone di Higgs.
Nel pezzo allegato racconto come sia stato possibile (70 anni fa) calcolare questa preponderanza della materia oscura. È straordinario che con calcoli che si possono riassumere e semplificare in mezza pagina sia possibile calcolare la massa di materia che non si vede.
La mia spiega è semplificata: se ti sembra difficile, insisti o fattela spiegare -- ne vale la pena.
La nostra mente si arricchisce di più a capire la materia oscura che a discutere se la concertazione sia utile o dannosa [suggerimento: bisogna vedere se la si fa bene o male]
Roberto
Scoperta la materia oscura – di Roberto Vacca – 12 Luglio
2012.
Per la prima volta è stata rilevata e misurata la materia oscura. La
notizia è sconvolgente perché la materia oscura costituisce il 95% della massa
dell’universo, ma non emette, né assorbe luce – quindi non si vede. Che esista
non lo sa quasi nessuno.
Un gruppo internazionale di astrofisici dell’Università del Michigan,
diretto da Jörg Dietrich pubblica oggi su Nature, un lavoro epocale. Descrivono un
enorme “filamento” di materia oscura lungo 58 milioni di anniluce e spesso 3
milioni di anniluce. Si trova a 2,7 miliardi di anniluce da noi e collega due
ammassi di galassie chiamati Abell222 e Abell223. Questo enorme oggetto non si
vede, ma la sua massa gravitazionale fa deviare la luce proveniente da altre
galassie – il che ha permesso di misurarlo. La situazione somiglia, in scala
molto maggiore, all’esperienza di Eddington che il 29 Maggio 1919 durante
un’eclissi dl sole confermò che la luce di stelle lontane veniva deviata nel
passaggio in prossimità della massa del sole, come previsto dalla teoria della
relatività.
Dietrich e collaboratori hanno analizzato immagini ottenute dal
telescopio Subaru a Mauna Kea e dal telescopio spaziale XMMM-Newton. Hanno
calcolato le distorsioni dovute a oltre 40.000 galassie e le hanno confrontate
con la distorsione totale. Le differenze hanno condotto a costruire un modello
della forma e delle dimensioni dell’immane filamento di materia oscura.
Questa conferma è interessante, ma l’esistenza della materia oscura era
data per certa già da decenni – in parte per le considerazioni che seguono, in
parte per calcoli che descrivo brevemente più oltre.
L'espansione attuale del cosmo pare sia del tutto diversa da quella
iniziale - chiamata "inflazione" e dovuta alla presunta esplosione
iniziale. Infatti dovremmo attenderci che, a causa dell'attrazione
gravitazionale, l'espansione dovrebbe frenare e infine giungere a un collasso
che ricompatti tutta la materia. Non è così: negli anni ‘90 si scoprì che
l'espansione del cosmo accelera. Deve esistere, dunque, una forza opposta alla
gravità. È l’"energia oscura" - intuita da Einstein. Pare sia
prodotta dallo spazio vuoto che, secondo le teorie quantistiche, è pieno di
particelle virtuali che si formano, esistono per tempi minimi e scompaiono. Non
si sa se l'energia oscura sia costante o variabile. Occorrono nuove
osservazioni. Alcuni scienziati mirano a spiegare i meccanismi dell'energia
oscura indagando cosa accada allo spazio, al tempo e alla materia ai margini di
un buco nero. All'interno di un buco nero la gravità è tanto forte che nemmeno
la luce ne può uscire, il tempo si ferma e la materia viene attratta
inesorabilmente.
Questi fenomeni possono essere spiegati dall'esistenza di un tipo di
materia diversa da quella nota. E', appunto, la materia oscura che
costituirebbe il 95% dell'universo. E' priva di cariche elettriche, ma non di
massa e interagisce con la materia a noi nota. Non produce radiazioni, non è
fatta di atomi e di molecole, ma di particelle finora non osservate, ma solo
ipotizzate. Fra queste, gli axioni: privi di carica e di spin e aventi una
massa minima - si degraderebbero a fotoni. Fotini: previsti dalla teoria della
supersimmetria e aventi spin 1/2. Neutralini e gravitini che hanno massa e che
sono soggetti a interazioni deboli. Stentiamo a pensare che si possa parlare
con precisione di oggetti che nessuno ha mai visto, nè misurato.
Ma, come dicevo, passiamo ai calcoli. Le formule che seguono sono molto
semplici. Forse ricordate che una massa
m che si muove alla velocità V,
immagazzina una quantità di energia uguale a ½ m V2 (energia cinetica). Anche se non lo
ricordate, potete trovarne la spiegazione nel Capitolo 5 del mio libro ANCHE TU
FISICO.
Il teorema viriale fu dimostrato
nel 1970 da Rudolf Clausius. Ne do qui una versione molto semplificata.
Una piccola massa m che ruota attorno a una massa M molto più grande
seguendo una traiettoria circolare di raggio
R, che percorre alla velocità V, è sottoposta a una forza centrifuga F = m
V2/R che deve essere identica
alla forza di attrazione Fgrav = G m M/R2 ove G è la costante di
gravitazione universale che vale 6,673 10-11 m3/kg . s2
cioè:
(m V2 )/R= G m M/R2 da cui:
m V2 = G m M/R
L’energia cinetica (o forza viva, cioè l’energia immagazzinata nella
mass m
perché si muove alla velocità V) è
E = ½ m V2 = ½ G
m M/R
Ma (G m M/R)
è l’energia potenziale del campo gravitazionale considerato.
Il teorema viriale
dice, appunto, che quando abbiamo masse in rotazione che si attraggono
mutuamente, l’energia cinetica è uguale alla metà dell’energia potenziale.
In generale con molte masse in
rotazione che si attraggono mutuamente (chiamando M la loro massa totale e chiamando R il raggio
medio misurato dal centro di rotazione)
M V2 = G M2 /R
da cui
M = R V2/G
Se possiamo misurare il raggio medio R e la velocità media V di una
massa di corpi che ruotano e si attraggono, è immediato calcolarne la massa
totale M. Questo è stato fatto per galassie e ammassi di galassie, la prima
volta da Fritz Zwicki nel 1933 . Risultato: la massa calcolate è 20 volte
maggiore di quella corrispondente alle stelle visibili. La massa del nostro
sistema solare è concentrata nel Sole per oltre il 99%. È verosimile che accada
lo stesso nel resto del cosmo. Invece no. Come detto sopra, si calcola con
estrema semplicità che il cosmo è costituito in misura preponderante da cose
che non si vedono e non emettono luce.
La scoperta di Dietrich & Co. sembra davvero epocale.
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