viene indagato il fenomeno della massa mancante attraverso la ricerca della materia oscura in particolare con l'ausilio delle lenti gravitazionali

1. SONO IO, O VEDO DOPPIO?
Mario Sandri
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2. Materia e antimateria
La creazione di ogni
particella é
accompagnata dalla
rispettiva creazione della
sua antiparticella, così
accanto alla materia
troviamo l’antimateria.
Quando una particella si
incontra con la sua
antiparticella queste si
annichilano, cioè si
elidono producendo
energia.
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3. Perché il mondo é di materia
Ma perché il mondo che vediamo é fatto di
materia data la simmetria tra le particelle?
Questo é dovuto al fatto che si é scoperto
che per alcune particelle il tempo di
decadimento (morte) é maggiore di quello
della rispettiva antiparticella.
Sfortunatamente noi non siamo in grado di
capire se viviamo in un mondo di materia
o di antimateria.
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4. Problema
La teoria inflazionistica non può essere ripetuta
in laboratorio e attualmente rappresenta la
migliore spiegazione che si possa dare. Tuttavia
presenta un problema: prevede come densità
critica il valore uno, ma i dati in nostro possesso
danno valori molto al di sotto. Dato che si
esclude che la teoria sia sbagliata si ricerca la
massa mancante nella teoria GUT e in quella
supersimmetrica dove si postula la presenza di
molte particelle.
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5. La massa mancante
Il modo in cui si sono formate le strutture su larga scala
dell'Universo dipende dal campo gravitazionale
esistente, cioè dalla quantità totale di materia presente.
Sembra che una componente particolare della materia
abbia guidato, più delle altre, questo processo di
addensamento: la cosiddetta materia oscura, che
secondo le moderne teorie domina l'Universo. Negli
ultimi decenni, gli astronomi hanno raccolto svariate
prove dell'esistenza di un tipo di materia invisibile che
lega galassie e ammassi di galassie per mezzo della sua
attrazione gravitazionale, ma la sua natura resta tuttora
ignota.
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6. La sua presenza è rivelata da
alcune evidenze indirette:
La rotazione delle galassie a spirale. Le galassie a spirale sono dotate di una
rotazione differenziale, nel senso che non sono in rotazione rigida attorno all'asse
centrale, ma ogni stella ruota attorno a questo asse con velocità variabile con la sua
distanza dal centro. Ora, la velocità di rotazione dipende dal campo gravitazionale a
cui essa è soggetta, quindi alla distribuzione di materia nella galassia stessa. Le
velocità di rotazione nelle galassie a spirale variano con la distanza dall'asse di
rotazione, come se una gran parte della materia in esse contenuta fosse distribuita
nelle loro regioni esterne. In realtà, la massa luminosa delle galassie (cioè le stelle e
il gas) è concentrata verso il nucleo e la sua densità decresce verso l'esterno. Se ne
deduce che queste galassie devono essere circondate da un grande alone di materia
invisibile, che contribuisce al campo gravitazionale delle stesse ma non alla loro
emissione luminosa: la materia oscura.
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7. La sua presenza è rivelata da
alcune evidenze indirette:
La distribuzione di velocità negli ammassi di
galassie. In un gruppo di galassie agiscono
due forze contrapposte: la forza
gravitazionale dell'insieme, che tende a
tenere unito l'ammasso, e la spinta
gravitazionale di una galassia sulle altre,
che tende invece ad aumentarne la velocità
relativa e a disperdere l'ammasso. A partire
da una stima della massa totale delle
galassie di un ammasso, è possibile
calcolare all'incirca la velocità massima che
esse possono avere al suo interno perché
esso resti stabile. Si è notato però che in
molti ammassi le galassie hanno velocità
molto superiori a questo limite, anche di
cento volte superiore, pur essendo legate in
una configurazione stabile. Questo significa
che il campo gravitazionale che le lega è
molto intenso, ma non è dovuto alla materia
osservabile. L'ammasso dev'essere quindi
tenuto insieme da un tipo di materia molto
abbondante ma non visibile.
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8. La sua presenza è rivelata da
alcune evidenze indirette:
Le lenti gravitazionali. Le lenti gravitazionali
sono agglomerati di materia, il cui campo
gravitazionale è così intenso da causare una
deviazione nel percorso dei raggi di luce che vi
passano vicini, così come una lente devia i raggi
di luce convogliandoli in un punto focale. Il
risultato è che, se una di queste lenti
(tipicamente una galassia molto massiccia o un
ammasso di galassie) è interposto tra noi ed
una sorgente di luce lontana (una galassia o un
quasar), produce più immagini della stessa.
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9. Einstein
Nel 1916 nella memoria
intitolata: Die Grundlagen der
allgemeinen
Relativitätstheorie, espose in
forma definitiva la sua teoria
della relatività generale, dove,
in base al postulato
dell'equivalenza fra tutti i
sistemi inerziali e non inerziali,
formulò una nuova teoria della
gravitazione in cui il campo
gravitazionale generato da
ogni corpo materiale è
rappresentato come una
modificazione delle proprietà
geometriche dello spazio
fisico.
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10. La curvatura spazio-temporale
In prossimità di un
oggetto massivo si
verificano dei
fenomeni strani come
i miraggi cosmici
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11. Miraggi cosmici
Grandi masse
incurvano lo spazio-
tempo, così i raggi
luminosi vengono a
loro volta incurvati
producendo stani
fenomeni celesti, tra I
più famosi le croci di
Einstein.
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16. Lo spazio deformato
da un buco nero
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17. Questi fenomeni, insieme alle previsioni
della teoria del Big Bang, fanno ritenere
che la materia oscura costituisca all'incirca
il 30 % della materia complessivamente
presente nell'Universo, e pertanto la
stragrande maggioranza di quest'ultima
sfugga alle nostre osservazioni.
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18. Ma da che cosa è costituita la
materia oscura?
Dato che di essa possiamo
ottenere solo informazioni
indirette, la sua natura resta
ancora incerta. Potrebbe trattarsi
di materia ordinaria, cioè la stessa
di cui sono fatte stelle e pianeti,
ma non nelle condizioni di
emettere radiazione. Per
esempio, potrebbe essere
composta di pianeti o di nane
brune, cioè troppo poco massicce
per produrre energia con la
fusione nucleare. Tuttavia, si
pensa che il numero di questi
oggetti sia molto più basso di
quello necessario per poter
spiegare gli effetti osservati della
materia oscura.
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19. Ma da che cosa è costituita la
materia oscura?
Un'altra ipotesi, più plausibile, è che si tratti di
materia esotica, cioè diversa dai comuni protoni,
neutroni ed elettroni. Per esempio, potrebbe
trattarsi di neutrini massivi. Si ritiene infatti che i
neutrini siano particelle prive di massa, ma
alcuni recenti esperimenti fanno pensare che
siano dotati di una massa, anche se piccolissima
(1/5000 della massa di un elettrone). Dato che i
neutrini sono comunissimi e permeano
l'Universo come la radiazione, basterebbero da
soli per rendere conto degli effetti osservati della
materia oscura.
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20. Ma da che cosa è costituita la
materia oscura?
Un altro tipo di materia oscura
possibile è costituita da particelle
ancora più strane e ancora
sconosciute, la cui esistenza è
prevista dalla fisica teorica ma
non è ancora stata dimostrata. Si
tratta delle cosiddette "particelle
massive debolmente interagenti":
gli assioni, i fotini, i gravitini, gli
squark, etc.
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21. L’energia oscura e la costante
cosmologica
Oggi la costante
cosmologica di
Einstein, introdotta
per rendere il suo
universo stazionario
assume un nuovo
significato: è una
sorta di energia
oscura (antigravità).
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22. Di qualunque cosa sia composta, la
materia oscura domina l'Universo, ne
rappresenta la sorgente principale della
forza gravitazionale ed è responsabile in
larga parte della sua struttura. Si può dire
quindi che non sappiamo ancora di che
cosa è fatta la maggior parte del nostro
Universo!
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23. Lo spettacolo dell’universo
si trasfigura davanti alla nostra mente
colma di stupore.
Non sono più blocchi di materia,
inerti ed errabondi
nell’eterna notte silente,
che Urania ci addita nel fondo dei cieli:
è la vita, la vita immensa,
universale, eterna,
che si dispiega in flussi armoniosi
fino agli orizzonti inaccessibili
dell’infinito in perpetua fuga!
Quale meravigliosa fuga!
Quale meravigliosa impresa!
Quali splendori da contemplare!
Quali vastità da percorrere!
È una sterminata galleria di immagini,
frutto delle nobili e pacifiche conquiste
dell’ingegno umano; conquiste sublimi,
che non sono costate né sangue né lacrime,
che ci fanno vivere
nella conoscenza del Vero
e nella contemplazione del Bello!
CamilleFlammarion,Astronomiapopolare,1925