TESINA DI FISICA RICCARDO SEMERARI LA MATERIA OSCURA

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1 TESINA DI FISICA RICCARDO SEMERARI LA MATERIA OSCURA 1

2 INDICE: Pag.3: Cos è la materia oscura?? Pag 4: Dimostrazione dell esistenza Pag 5-6: Distribuzione della materia oscura Pag 7: Dinamica della materia oscura & creazione materia oscura in laboratorio Pag 8: Teorie alternative sulla materia oscura 2

3 LA MATERIA OSCURA La scelta della materia oscura per la tesina non è casuale. Infatti la materia oscura è un qualcosa di ancora misterioso e gran parte delle teorie sviluppate su di essa sono ancora solo teoriche.quindi è facile farsi affascinare da qualcosa che esiste ma non è percepibile. Immagine: mappa materia oscura(nasa/ ESA) Cos è la materia oscura? È una materia presente nell universo ma che non riflette alcuna luce ed è perciò invisibile all occhio umano. L unico effetto visibile della materia oscura è la sua attrazione gravitazionale,in grado di deviare la luce con gli stessi effetti di una lente che viene attraversata da un raggio. Nonostante dettagliate mappe dell universo vicino che coprono lo spettro dalle onde radio ai raggi gamma,siamo in grado di individuare solo il 10% della massa che deve esistere là fuori. Come disse nel 2001 al New York Times Bruce H.Margon,astronomo all Università di Washington : é una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90%(della materia) dell universo. Le più recenti misure indicano infatti che la materia oscura costituisce circa il 30% del contenuto totale dell energia dell universo, e circa il 90% della massa. Essa venne inizialmente indicata come massa mancante,ed in effetti i termini oscura e mancante riassumono abbastanza bene tutto ciò che ne sappiamo al momento. Come gia detto l unico modo per individuarla e grazie alla sua attrazione gravitazionale, poiché questa materia non emette alcuna radiazione elettromagnetica, e risulta quindi non individuabile dagli strumenti di analisi spettroscopica, da cui l aggettivo oscura. Il termine massa mancante però non è preciso, questo perché la materia oscura non è mancante ma solo impercettibile. Dimostrazione dell esistenza Sono state fatte varie teorie per dimostrare l esistenza della materia oscura ma le principali sono 3. IL LEASING GRAVITAZIONALE: i raggi luminosi di un oggetto distante come una galassia sono piegati dalla gravità di una grande massa che distorce lo spazio e fa deviare i fotoni creando immagini distorte(effetto spiegato facendo ricorso alla teoria della relatività di Einstein). 3

4 Quindi si è notato che della luce veniva deviata nella sua traiettoria senza una presenza di massa tangibile, questo vuol dire che questa luce è stata attratta dalla materia oscura. simulazione effetto leasing effetto leasing nella galassia Abell 2218 LA MASSA MANCANTE:l astronomo Zwicky stimò la massa di ogni galassia dell ammasso basandosi sulla sua luminosità, e sommò tutte le masse galattiche per ottenere la massa totale dell ammasso. Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità individuali delle galassie nell ammasso. Con sua grande sorpresa, questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte più grande della stima basata sulla luce delle galassie. Negli anni settanta gli scienziati iniziarono ad esplorare questa discrepanza in modo sistematico. Fu in quel periodo che l esistenza della materia oscura iniziò ad essere presa sul serio. L esistenza di tale materia non avrebbe solo risolto la mancanza di massa negli ammassi di galassie, ma avrebbe avuto conseguenze di ben più larga portata sulla nostra capacità di predire l evoluzione e il destino dell universo stesso LA ROTAZIONE DELLE GALASSIE: nella periferia delle galassie le stelle per la velocità e la massa che hanno dovrebbero uscire fuori dal campo di attrazione della galassia, quindi dovrebbero vagare per lo spazio. Quindi o la 3 legge di keplero è sbagliata o esiste altra materia(materia oscura) che fa restare la stelle nella loro posizione. 4

5 Distribuzione della materia oscura Grazie la leasing si è riusciti a fare una mappa sulla materia oscura. Arrivare a questo risultato, alla realizzazione, cioè, di una vera e propria mappa tridimensionale dell'universo, è stato un lavoro lungo e che ha impiegato mezzi differenti. Nick Scoville, sempre del gruppo Caltech, ha condotto l'indagine COSMOS (for Cosmic Evolution Survey), la più grande indagine mai effettuata attraverso l'uso del telescopio Hubble e della sua sofisticatissima Advanced Camera for Surveys (ACS). Hubble ha fornito i dati provenienti da circa mille ore di osservazione, ha tracciato una zona del cielo equivalente alla larghezza di quattro lune piene dedicando il 10% del suo tempo operativo degli ultimi due anni. Per completare l'indagine sono stati uniti, a questi, i dati provenienti da altri quattro osservatori astronomici del mondo. "E' stato come ricostruire un'intera città basandosi solo su una veduta aerea notturna delle strade illuminate" hanno dichiarato gli astronomi. Il telescopio Subaru (Mauna Kea, Hawai) ha fornito immagini tratte da 30 notti di osservazione e i telescopi European Southern Observatory's Very Large Telescope e il Giant Magellan in Cile hanno misurato lo spettro della luce dalle galassie viste da Hubble permettendo di calcolare le distanze tra esse. Il telescopio a raggi X dell'esa XMM-Newton ha contribuito a delineare il gas all'interno delle galassie e la distribuzione della materia ordinaria. La combinazione di tutti questi dati ha permesso agli astronomi di calcolare come la deviazione della luce esistente non poteva essere attribuita solamente alla massa della materia ordinaria, rivelando così la distribuzione della materia oscura nella zona di cielo esaminato. L'attenta misura della distanza tra le galassie a immagine distorta ha inoltre indicato la distanza tra la materia oscura responsabile della distorsione. Sebbene su un'area limitata, questa mappa costituisce il primo risultato non basato su semplici simulazioni; rappresenta inoltre, in maniera molto verosimile, la reale distribuzione della materia oscura. "Quella che siamo riusciti a studiare è una piccola parte del cielo, qualcosa come due gradi su 40 mila, ma si tratta delle immagini più chiare che si siano mai ottenute" ha commentato Eric Linder, del Lawrence Berkeley National Laboratory. Le parti più distanti di questo programma 3D rappresentano le ere più antiche nella storia dell'universo e ciò ha permesso alla squadra di seguire i cambiamenti nella distribuzione della materia oscura su un periodo che varia da circa 6.5 a 3.5 miliardi di anni fa. I risultati di COSMOS sono un passo avanti molto importante nella comprensione dell'universo ma portano nuovi ed affascinanti interrogativi? Pare di sì. I ricercatori sono rimasti perplessi di fronte ad una certa concentrazione di materia oscura che non sempre si 'sovrappone' alla materia visibile, lasciando in alcune zone degli ammassi isolati di materia oscura che non avvolgono al loro interno nessuna galassia, alcune zone sembrano mostrare delle discrepanze fra la distribuzione della materia scura e della materia ordinaria e altre zone mostrano concentrazioni della materia ordinaria senza fette di materia oscura corrispondenti. Prima di ripensare i modelli cosmologici fin qui elaborati, gli scienziati stanno però cercando di capire se queste anomalie possano essere dovute a interferenze nella raccolta dei dati. E' più di un puzzle" dice Scoville "Non ho una buona spiegazione sul perchè ciò accada" ma ricorda come sia 5

6 ancora troppo presto per determinare che si tratti di vere e proprie anomalie o se sono il frutto di limiti nella risoluzione delle immagini. Certamente l'indagine COSMOS continuerà e, se ce n'era bisogno, abbiamo sempre più la sensazione che l'essenziale sta in "ciò che non si vede"... Dinamica della materia oscura È stato scoperto che la materia oscura non è statica ma è dotata di movimento. Infatti si sposta proprio come un gas fatto da comuni particelle. Questo è stato possibile grazie alla simulazione del movimento di milioni di particelle di materia oscura per un periodo di miliardi di anni, su di un computer. Questo ci ha fatto scoprire l andamento dei movimenti della materia oscura. Creare materia oscura in laboratorio. Entro la fine dell anno i ricercatori del Centro di Amburgo che ospita l elettrosincrotrone DESY potrebbero arrivare a creare in laboratorio un assione, ipotetica particella priva di carica elettrica e di spin e dotata di massa minuscola che, secondo alcune teorie, costituirebbe la materia oscura. All inizio dell anno, nel quadro della collaborazione internazionale PVLAS, i fisici del centro di Trieste dell Istituto di fisica nucleare (INFN) avevano scoperto che un fascio di luce che attraversi il vuoto può essere ruotato imponendo al vuoto stesso un opportuno campo magnetico. Secondo la meccanica quantistica, il vuoto è in realtà molto attivo, e in esso si ha la continua creazione e distruzione di coppie particella-antiparticella. Il campo magnetico interferisce con esse, disturba il vuoto e induce una torsione nel raggio luminoso che lo attraversa. I risultati ottenuti a Trieste non erano completamente spiegabili nei termini della meccanica quantistica classica, inducendo alcuni fisici a ipotizzare che nel processo potessero venire create particelle simili agli assioni. Per verificare l ipotesi e rendere rilevabili gli assioni, i fisici di Amburgo sfrutterano le capacità del laser a elettroni liberi FLASH, l unico al mondo attualmente in grado di generare un intenso fascio laser alla altissima frequenza richiesta dall esperimento. Tutto questo è stato possibile solo grazie alle ipotesi sulla materia oscura. Infatti pare che la materia oscura sia divisa in materia oscura barionica o non barionica. La materia oscura barionica è formata da materiali analoghi a quelli che compongono le stelle, ma che però non emettono radiazioni. Mentre la materia oscura non barionica(anche chiamata wimp) è formata da particelle subatomiche(tipo neutrini).il wimp dovrebbe essere il 90% di tutta la materia oscura. 6

7 Teorie alternative sulla materia oscura Unateoria alternativa è stata proposta dal fisico israeliano Mordehai Milgrom sotto il nome di MOND, acronimo di Modified Newtonian Dynamics (1981). Essa prevede che sulle scale di accelerazione tipiche delle zone esterne delle galassie la legge di gravitazione universale di Newton debba essere leggermente modificata, in modo da tener conto delle curve di rotazione piatte senza fare ricorso alla materia oscura. Maurizio Michelini (Apeiron Journal, April 2007) La teoria prevede la presenza di sorgenti gravitazionali addizionali nel quadro di una teoria più generale dell inerzia e della gravitazione. La forza gravitazionale dipende infatti non dalla massa gravitazionale di Newton, ma da una complessa azione di autoschermo esercitata sulle masse da un flusso di micro-quanti (con lunghezza d'onda uguale alla lunghezza di Planck ed energia piccolissima) che riempie l universo. Nelle collisioni dei micro-quanti con la materia si generano innanzitutto le forze d inerzia relativistiche. Inoltre all interno dei corpi celesti superdensi i micro-quanti subiscono un numero di collisioni altissimo, perdendo un poco della loro energia e generando una forza gravitazionale addizionale. Ad esempio la costante di gravitazione delle neutron stars è pari a volte G. Poiché le stelle di neutroni sono disseminate nelle galassie, può essere sufficiente che rappresentino 2-3% della massa totale per sortire un effetto gravitazionale tale da spiegare (insieme con il contributo della popolazione di brown dwarfs) le elevate velocità di rotazione osservate. Le teorie che prevedono una modifica della dipendenza del campo gravitazionale dalla distanza si sono rivelate inadatte a rendere ragione delle curve di rotazione delle galassie a spirale, perché le loro previsioni risulterebbero in conflitto con altre evidenze osservative universalmente accettate. La teoria MOND pare a tutt'oggi difficilmente compatibile con la relatività generale, ma rappresenta l'ambito di ricerca meglio conosciuto realisticamente competitivo con il paradigma della materia oscura nella spiegazione dei moti galattici. Nessuna singola teoria è stata finora accettata dalla comunità astronomica, poiché siamo privi dei mezzi per verificare in modo risolutivo una teoria rispetto all'altra. 7