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Massa mancante e materia oscura


Il problema della massa mancante deriva dal disaccordo tra le previsioni teoriche e i risultati delle osservazioni fatte su galassie a spirale e ammassi di galassie. Dallo studio del moto di rotazione di questi oggetti, si è calcolato che i valori delle velocità delle loro componenti a grande distanza dal centro non diminuiscono come dovremmo aspettarci per giustificare, in base alle leggi della dinamica di Newton, la stabilità dei sistemi. Ciò ha reso necessario ipotizzare l'esistenza di una qualche forma di massa non visibile, chiamata per questo anche 'materia oscura'. La presenza di questa massa garantisce l'equilibrio osservato, perché fornisce la forza gravitazionale attrattiva necessaria a controbilanciare la tendenza a sfuggire che hanno le parti esterne di questi oggetti in rotazione a causa delle grandi velocità, e quindi delle elevate forze centrifughe. Sono state fatte varie ipotesi sulla composizione di questa materia oscura, tra le quali quelle che propongono che essa sia formata da polvere interstellare, oggetti planetari, neutrini (solo se dotati di massa), materia collassata e materia non ordinaria. Appartenenti a quest'ultima classe sono per esempio le ipotetiche particelle chiamate WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), dotate di massa e debolmente interagenti con la materia ordinaria.
È molto importante conoscere quanta di questa materia esiste, perché essa, insieme alla materia ordinaria, determina la geometria dell'Universo, se cioè esso è piatto (euclideo) o curvo, e anche il suo destino, se cioè esso continuerà a espandersi per sempre, o se invece rallenterà o addirittura fermerà la propria espansione: in quest'ultimo caso l'Universo comincerebbe a contrarsi fino a collassare in un punto. Tale materia, non osservabile al telescopio, è attestabile solo indirettamente attraverso l'influenza gravitazionale che essa esercita sulla materia visibile. Un metodo per individuarla è quello che sfrutta l'effetto di lente gravitazionale, cioè la distorsione della luce proveniente da galassie lontane a causa dell'influenza della materia oscura. Secondo tale effetto, predetto dalla relatività generale, la luce è incurvata dalla gravità; conseguentemente, la forma sferica di galassie lontane che si trovano oltre un raggruppamento di materia oscura appare leggermente allungata, ellittica. L'effetto è comunque debole, pertanto, per evitare di sbagliare considerando di forma allungata galassie già di per sé di forma ellittica, si lavora statisticamente, sfruttando il fatto che in media le galassie che subiscono l'effetto della materia oscura sono allungate tutte nella stessa direzione.

In accordo con il modello cosmologico standard, l'Universo è composto per circa il 25% di materia oscura, per il 70% di energia oscura e soltanto per il 5% di materia normale. La materia normale è costituita soprattutto da barioni (idrogeno, elio e gli elementi più pesanti), che per circa il 40% non sono osservati. Secondo un recente studio, basato su una simulazione al supercalcolatore, la maggior parte della massa gassosa dell'Universo compone una rete di filamenti cosmici che si estendono per centinaia di milioni di anni luce. Lo studio indica che una porzione significativa del gas nei filamenti è nascosta dall'osservazione diretta in enormi nubi di gas situate nello spazio intergalattico, note come Warm-Hot Intergalactic Medium (WHIM). La simulazione al supercalcolatore prende in considerazione il 2,5% dell'Universo visibile per ottenere un modello di una regione estesa approssimativamente 1,5 anni luce. La figura a lato ne mostra una porzione: l'oggetto luminoso nel centro è un ammasso di galassie con all'incirca un milione di miliardi di volte la massa del Sole; tra i filamenti, che raggruppano la maggior parte della massa dell'Universo, ci sono regioni giganti sferiche vuote, quasi senza materia.

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