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Perché gli astronomi credono nella materia oscura?

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La materia oscura, per sua stessa natura, è invisibile. Non possiamo osservarla con i telescopi, né i fisici delle particelle hanno avuto fortuna a rilevarla tramite esperimenti.

Allora perché migliaia di fisici ed astrofisici credono che la maggior parte della massa dell’universo sia costituita da materia oscura, piuttosto che dalla materia convenzionale che comprende stelle, pianeti e tutti gli altri oggetti visibili nei nostri cieli?

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Per rispondere a questa domanda è necessario apprezzare ciò che la materia oscura può e non può fare, capire dove si nasconde nell’universo e rendersi conto che “oscurità” è solo l’inizio del puzzle.

Influenza invisibile

La nostra storia sulla materia oscura inizia con velocità e gravità. In tutto il cosmo vediamo oggetti che viaggiano in orbite influenzate dalla gravità. Proprio come la Terra orbita attorno al Sole, il Sole orbita attorno al centro della nostra galassia.

La velocità richiesta per mantenere in orbita un corpo celeste è una funzione di massa e distanza. Ad esempio, nel nostro Sistema Solare, la Terra si muove a 30 km al secondo, mentre i pianeti più esterni si muovono solo ad alcuni chilometri al secondo.

La nostra galassia è incredibilmente massiccia, quindi il Sole orbita intorno al suo centro a 230 km al secondo nonostante sia distante 26.700 anni luce dal centro della galassia. Tuttavia, man mano che ci spostiamo ulteriormente dal centro della galassia, le velocità orbitali delle stelle rimangono all’incirca costanti. Perché?

A differenza del nostro Sistema Solare, la cui massa è dominata dal Sole, la massa nella nostra galassia è diffusa in migliaia di anni luce. Man mano che ci si sposta a distanze maggiori dal centro galattico, le stelle e i gas racchiusi in questo raggio aumentano.

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Questa massa aggiuntiva può spiegare le vaste velocità delle stelle più lontane nella nostra galassia? Non proprio.

Negli anni ’60, la pioniera astronoma americana Vera Rubin misurò le velocità orbitali nella galassia di Andromeda (la galassia vicino alla Via Lattea) a distanze di 70.000 anni luce dal nucleo di quella galassia. Sorprendentemente, nonostante questa distanza sia ben al di là della maggior parte delle stelle e dei gas di Andromeda, la velocità orbitale è risultata stabile vicino a 250 km / s .

Questo fenomeno non è unico nemmeno per le singole galassie. Negli anni ’30, l’astronomo svizzero-americano Fritz Zwicky scoprì che le galassie in orbita all’interno di ammassi di galassie si muovono molto più velocemente del previsto.

Qual è la causa? Una possibilità è che una grande quantità di massa invisibile si estenda oltre le stelle e il gas. Questa è la materia oscura.

In effetti, il lavoro di Zwicky, Rubin e le successive generazioni di astronomi indicano che c’è più materia oscura nell’universo che materia convenzionale (Per quanto riguarda l’energia oscura, questa è tutta un’altra storia).

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Il movimento di stelle e gas in Andromeda ha fornito alcune delle prime prove dell’esistenza della materia oscura. Adam Evans

Sorprendentemente, la nostra incapacità di vedere o rilevare la materia oscura fornisce indizi su come si comporta. Deve avere poche interazioni con sé stessa e con la materia convenzionale oltre alla forza di gravità, altrimenti l’avremmo rilevata per l’emissione di luce e le interazioni con altre particelle.

Dato che la materia oscura interagisce principalmente attraverso la sola gravità, ha alcune proprietà curiose. Una nuvola di gas caldo nello spazio può perdere energia emettendo luce e quindi raffreddarsi. Una nuvola di gas sufficientemente massiccia e fredda può collassare sotto la sua stessa gravità per formare stelle.

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Al contrario, la materia oscura non può perdere energia emettendo luce. Pertanto, mentre la materia convenzionale può collassare in oggetti densi come stelle e pianeti, la materia oscura rimane più diffusa.

Questo spiega un’apparente contraddizione. Mentre la materia oscura può dominare la massa dell’universo, non pensiamo che ce ne sia molta nel nostro Sistema Solare.

Simulazione riuscita

Poiché il movimento della materia oscura è dominato unicamente dalla gravità, è anche relativamente facile modellarlo analiticamente e nelle simulazioni.

Dagli anni ’70 abbiamo avuto formule per il numero di strutture di materia oscura, e capita anche di prevedere il numero di enormi galassie e ammassi di galassie. Inoltre, le simulazioni possono modellare l’accumulo di strutture attraverso la storia dell’universo. Il paradigma della materia oscura non si adatta solo ai dati, ha un potere predittivo.

Il movimento della materia oscura è dominato dalla gravità, quindi è più facile da simulare della materia convenzionale.

Esiste un’alternativa alla materia oscura?

Deduciamo la sua presenza usando la gravità, ma cosa succede se la nostra comprensione della gravità è sbagliata?

Forse la gravità è più forte a grandi distanze di quanto pensiamo.

Esistono diverse teorie alternative sulla gravità, con l’esempio più noto della Mordehai Milgrom’s Modified Newtonian Dynamics (MoND).

Come distinguiamo la materia oscura dalla gravità modificata? Bene, nella maggior parte delle teorie, la gravità si avvicina alla massa. Pertanto, se non c’è materia oscura, la gravità tende verso la materia convenzionale, mentre se la materia oscura domina, la gravità attirerà prevalentemente la materia oscura.

Quindi dovrebbe essere facile dire quale teoria è giusta, no? Non esattamente, poiché la materia oscura e la materia convenzionale si susseguono approssimativamente. Ma ci sono alcune utili eccezioni.

La deflessione della luce da parte della gravità rivela la materia oscura nelle collisioni degli ammassi di galassie. Raggi X: NASA / CXC / CfA / M.Markevitch et al .; Ottico: NASA / STScI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al .; Mappa dell’obiettivo: NASA / STScI; ESO WFI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.

Distruggi insieme nuvole di gas e materia oscura e succede qualcosa di meraviglioso. Il gas si scontra per formare una singola nuvola, mentre le particelle di materia oscura continuano a muoversi sotto l’influenza della gravità. Questo accade quando gruppi di galassie si scontrano a grande velocità.

Come misuriamo l’attrazione della gravità negli ammassi di galassie in collisione?

Bene, la gravità non attira solo la massa ma anche la luce, quindi le immagini distorte delle galassie possono tracciare l’attrazione gravitazionale. E negli scontri tra ammassi di galassie, la gravità tende verso dove dovrebbe essere la materia oscura, non verso la materia convenzionale.

Increspature nel tempo

Possiamo vedere l’influenza della materia oscura non solo oggi ma in un lontano passato, fino al Big Bang.

Lo sfondo cosmico a microonde, il bagliore residuo del Big Bang, può essere visto in tutte le direzioni. E in questa palla di fuoco possiamo vedere le increspature, il risultato delle onde sonore che viaggiano attraverso il gas ionizzato.

Le increspature dello sfondo cosmico a microonde rivelano la presenza di materia oscura. ESA, Planck Collaboration

Queste onde sonore derivano dall’interazione di gravità, pressione e temperatura nell’universo primordiale. La materia oscura contribuisce alla gravità, ma non risponde alla temperatura e alla pressione come la materia convenzionale, quindi la forza delle onde sonore dipende dal rapporto tra materia convenzionale e materia oscura.

Come previsto, le misurazioni di queste increspature prese dai satelliti e dagli osservatori terrestri rivelano che c’è più materia oscura che materia convenzionale nel nostro universo.

Quindi il caso è chiuso? La materia oscura è sicuramente la risposta?

La maggior parte degli astronomi direbbe che la materia oscura è la spiegazione più semplice e migliore per molti dei fenomeni che vediamo nell’universo.

Ma resta il fatto che dobbiamo ancora rilevare direttamente la materia oscura.

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