Cosmologia
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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