L’Universo, secondo il modello standard sembra essere “fatto” soprattutto di materia oscura fredda e di energia oscura: la prima sembra influire sulle dinamiche delle galassie, la seconda sull’espansione dell’intero Universo, che a partire da 5 miliardi di anni fa sta accelerando la sua espansione.
Il nostro universo è un luogo affascinante dove la materia ordinaria che possiamo osservare sembra essere solo una piccola frazione della materia esistente.
I ricercatori danno la caccia alla materia oscura fredda da anni e provano a capire la natura dell’energia oscura. Svelare questi misteri ci permetterà di capire come si evolverà l’Universo e quale fisica (oltre al Modello Standard) sarà in grado di descriverlo nella maniera migliore.
Cos’è la materia oscura fredda
La materia oscura fredda viene classificata in barionica e non barionica a seconda della natura dei suoi candidati.
Le osservazioni effettuate sull’abbondanza dei nuclei leggeri presenti nell’universo (Deuterio, Elio, Litio), insieme alle previsioni teoriche sulla loro formazione (Nucleosintesi), indicano che la materia barionica presente nell’Universo contribuisce per circa il 4%.
Sono state ipotizzate diverse particelle per spiegare la natura della materia oscura fredda: neutrini, assioni, WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), Q-balls, monopoli magnetici. Oggi, le particelle più accreditate a spiegare la natura della materia oscura fredda sono le WIMP.
Con il termine WIMP si descrivono una classe di particelle, che possono avere differente natura, ma che posseggono alcune caratteristiche comuni.
Queste particelle – sintetizzate nelle fasi successive al Big Bang – devono essere neutre, massive e interagire debolmente con la materia ordinaria. Queste caratteristiche fanno pensare che nell’Universo esista una significativa abbondanza di WIMP.
Cenni storici sulla materia oscura fredda
I primi cenni storici della possibile esistenza di una forma di materia oscura possono essere attribuiti all’astronomo tedesco Jacobus Kaptein basati sullo studio delle velocità stellari della Via Lattea (1922).
Nel 1932, anche Jan Oort, misurando lo spostamento Doppler delle stelle della Via Lattea, giunse a conclusioni simili: queste sembravano muoversi più velocemente di quanto avrebbero dovuto per mantenere coesa la Galassia.
Questo problema, allora irrisolto, divenne ancora più evidente con le osservazioni dell’astronomo svizzero Fritz Zwicky, nel 1933, che studiò i moti relativi delle galassie dell’ammasso della Chioma.
Il mistero rimase tale fino al 1970, quando Vera Rubin e il suo collega Kent Ford iniziarono a studiare le curve di luce delle galassie con lo spettrometro più sensibile esistente all’epoca.
I due scienziati iniziarono con lo studio della Galassia di Andromeda classificata come M31. La Rubin si aspettava di vedere le parti periferiche di M31 muoversi più lentamente del nucleo, ma non fu così: la curva di velocità era, invece, piatta.
Siccome nei quarant’anni successivi ai primi sospetti di Kaptein, Oort e Zwicky quasi nessuno, si era occupato del mistero delle insolite velocità stellari e galattiche, Vera Rubin e Kent Ford rimasero spiazzati da quell’insolita scoperta.
Vera Rubin capì che per risolvere il problema delle orbite stellari nelle galassie occorreva supporre che queste fossero immerse in un alone diffuso di materia invisibile, in modo che la maggior parte della massa non sarebbe stata racchiusa al centro, ma diffusa anche nelle zone più periferiche delle galassie.
E se la materia oscura fredda non esistesse?
Le valutazioni odierne delle curve di rotazione galattiche si basano su un quadro di resoconti newtoniani della gravità.
Un nuovo documento pubblicato su EPJ C, da Gerson Otto Ludwig, dell’Istituto Nazionale per la Ricerca Spaziale in Brasile, suggerisce che se questo viene sostituito da un modello basato sulla relatività, la necessità di ricorrere alla materia oscura viene sostituita dagli effetti del gravitomagnetismo.
Il ruolo principale della materia oscura fredda, sottolinea Ludwig nel documento, è quello di risolvere la disparità tra le osservazioni astrofisiche e le attuali teorie sulla gravità.
In parole povere, se la materia barionica che è composta da protoni, neutroni ed elettroni – è l’unica forma di materia, allora non dovrebbe esserci abbastanza forza gravitazionale per impedire alle galassie di disgregarsi.
Ignorando le correzioni relativistiche alla gravità newtoniana derivanti dalle correnti di massa e trascurando le correnti di massa stesse, Ludwig afferma che questi modelli mancano anche di modifiche significative alle curve di rotazione:
le velocità orbitali delle stelle visibili e del gas tracciate rispetto alla loro distanza radiale dal centro della loro galassia.
Ciò è dovuto a un effetto nella relatività generale non presente nella teoria della gravità di Newton: il trascinamento o l’effetto Lense Thirring.
Questo effetto si verifica quando un oggetto rotante massiccio come una stella o un buco nero “trascina” il tessuto stesso dello spaziotempo, dando originea un campo gravitomagnetico.
Nell’ articolo, Ludwig presenta un nuovo modello per le curve di rotazione delle galassie che è in accordo con gli studi precedenti che coinvolgono la relatività generale.
Il ricercatore dimostra che anche se gli effetti dei campi gravitomagnetici sono deboli, includerli nei modelli diminuisce la differenza tra le teorie della gravità e le curve di rotazione osservate, eliminando la necessità della materia oscura fredda.
Ludwig conclude suggerendo che tutti i calcoli eseguiti con modelli di dischi galattici sottili eseguiti fino a oggi potrebbero dover essere ricalcolati e il concetto stesso di materia oscura, messo in discussione.
