A caccia della massa mancante dell’Universo

Dov’è la massa mancante dell’Universo?

Quando si volge lo sguardo nel grande abisso dell’Universo, si viene accolti da un enorme ammasso di stelle, galassie e nebulose che emettono e contemporaneamente assorbono luce.

Mettendo insieme tutti i risultati delle osservazioni astronomiche, si può ottenere la quantità di materia presente nell’Universo, che siamo in grado oggi di studiare.

Esiste però anche un altro metodo che si può utilizzare in maniera del tutto indipendente.

Osservando come, sotto l’influenza della gravità, la materia e la luce si muovono, o vengono alterate, è possibile misurare la quantità totale di massa nell’Universo.

Se si riuscisse a far coincidere i risultati ottenuti dai due approcci sperimentali, sarà possibile comprendere finalmente da dove proviene tutta la materia dell’Universo. Per adesso, non solo non siamo in grado di conoscere questa quantità, ma persino l’85% della materia non è stato ancora rilevato.

Anche se vi sono rapporti recenti che evidenziano di aver trovato la massa mancante dell’Universo, si tratta solo di una piccola frazione di ciò che si sta cercando. Ecco la storia completa.

Dov’è la massa mancante dell’Universo?

L’idea della massa mancante risale agli anni ‘30. Da quel momento, è stato compreso il meccanismo di funzionamento delle stelle (compreso il nostro Sole) e quindi, misurando la luce proveniente da queste stelle è stato possibile dedurre la loro massa.

Questo approccio ha funzionato sia per singole stelle che per agglomerati di stelle. Applicando le nostre conoscenze sulle stelle alla luce proveniente dalle galassie più distanti, è possibile stimare quanta materia vi sia in una tipologia di oggetto ben nota: le stelle.

Inoltre, si è acquisita la capacità di studiare il moto di queste galassie all’interno degli ammassi che le contengono. Conoscendo le leggi della gravità, lo studio del moto di queste galassie ci fornisce informazioni su quanta massa debba essere contenuta nell’ammasso perché esse abbiano delle orbite stabili.

Qual è, quindi, il grande problema? Il secondo numero non era semplicemente più grande del primo; era 160 volte più grande!

Per tanti anni, gli astronomi si sono rifiutati di accettare questa come una scoperta rilevante. Erano sorte diverse obiezioni, alcune valide e altre meno.

• È probabile che vengano osservate le stelle più brillanti, mentre quelle più deboli hanno una massa maggiore.

• È probabile che la materia non si trovi nelle stelle, ma sia costituita da gruppi più piccoli, non luminosi: pianeti, gas, polvere e persino buchi neri.

• O addirittura è probabile che le stelle e il sistema solare non siano stati compresi per quello che effettivamente sono, e i calcoli sull’esistenza della massa nelle stelle non sono corretti.

Con il passare degli anni e dei decenni si è imparato molto su ciò che si stava osservando e su ciò che non veniva osservato.

Le stelle osservate nelle altre galassie sono dominate da stelle più pesanti, più luminose e più blu: la differenza era più vicina al rapporto 50 a 1 che 160 a 1. Inoltre, c’è veramente un’enorme quantità di polvere e di gas in queste galassie, che sono state osservate grazie ai raggi X emessi dagli agglomerati di galassie.

Vi è inoltre evidenza di materia – materia normale costituita da protoni, neutroni ed elettroni – nello spazio tra le galassie e gli agglomerati di galassie: lo spazio intergalattico caldo. È molto difficile intercettare questo plasma ionizzato, ma da tempo si pensa che esista in grandi quantità, costituendo da solo più massa di tutte le stelle dell’Universo messe insieme.

Recentemente, con una precisione mai raggiunta, questa materia oggetto di ricerca è stata rilevata attraverso gli impulsi di luce conosciuti come lampi radio veloci. Si tratta della famosa materia mancante, finalmente scoperta, così come riportato in numerosi articoli delle scorse settimane.

È certamente una scoperta importante per gli astrofisici, ma non risolve ancora il problema di cosa sia effettivamente questa materia mancante e dove si trovi nell’Universo.

Una volta messe insieme tutte le risorse disponibili sulla materia, si ha che:

• I buchi neri, i pianeti e la polvere rappresentano meno dell’1% della massa totale dell’Universo.

• Le stelle contribuiscono a circa 1 – 2 % della massa totale.

• Il gas neutro, incluso il gas trovato dentro le galassie, contribuisce per il 5-6% alla massa totale.

• Il plasma ionizzato all’interno del mezzo intergalattico caldo contribuisce per un altro 7-8 %.

Mettendo quindi insieme tutti questi contributi, si arriva a un ammontare del 15% sul totale della massa dell’Universo. Potrebbe essere un buon risultato, ma siamo molto lontani dal 100%.

Tutta questa massa mancante è costituita delle stesse particelle di cui siamo fatti noi stessi. Ma anche prima di scoprirlo, si sapeva già, senza ombra di dubbio, quanta materia normale dovesse esserci nell’Universo.

Questo perché una delle cose che siamo stati in grado di fare è misurare, da nuvole di gas incontaminate che non hanno partecipato alla formazione delle stelle, quali elementi (e soprattutto in quali rapporti) fossero presenti nei momenti successivi al Big Bang.

Queste abbondanze primordiali ci dicono come protoni e neutroni si siano fusi insieme per dare vita agli elementi più leggeri dell’Universo nei primissimi momenti successivi all’esplosione: prima che si formasse una qualunque stella.

Poiché oggi abbiamo maggiore dimestichezza con la fisica nucleare e si sa abbastanza sulla presenza di radiazione e dei neutrini nei primissimi minuti dell’Universo, misurare le abbondanze di questi elementi leggeri ci permette di sapere quanti barioni – ovvero quanta materia normale in totale – vi sono nell’Universo.

È stato possibile misurare, con estrema precisione, la quantità di idrogeno contenuta nell’Universo, oltre che gli isotopi elio-4, elio-3, deuterio e litio-7. E l’informazione che si trae da questi risultati è che circa il 15% di tutta la materia dell’Universo è materia normale.

Ora, aver trovato i barioni mancanti, o la massa mancante (la materia normale mancante), è senza dubbio un risultato ragguardevole, ma tutto ciò non ci dice niente sul rimanente 85% della massa dell’Universo.

E questo è il cuore del problema della materia oscura.

Piuttosto che chiedersi dove sia la massa mancante, bisogna chiedersi cosa sia effettivamente la materia oscura, e perché produce sull’Universo gli effetti teorizzati.

Di fatto, la presenza della materia oscura scaturisce tutte le volte che vengono effettuati esperimenti sulla massa gravitazionale.

Possiamo vederla quando si studiano i modelli delle fluttuazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo. Se non ci fosse un qualunque tipo di materia oscura, le intensità, i rapporti e il numero di urti nella radiazione cosmica di fondo sarebbero tutti errati: i dati non si allineerebbero con le osservazioni.

Quando si osservano i sistemi di lenti gravitazionali, non si misura solo la massa totale delle lenti, ma anche la distribuzione della massa nello spazio tra l’osservatore e l’oggetto osservato.

Queste osservazioni permettono di dedurre che la materia oscura non solo esiste, ma che nei primissimi momenti del Big Bang si è spostata molto lentamente: questa è una condizione necessaria per dare vita ai gruppi di massa, in accordo con le osservazioni.

Si hanno anche altri strumenti per evidenziare l’esistenza della materia oscura.

La rete cosmica, che collega fra di loro le galassie, non potrebbe aver questa forma o questa struttura se ci fosse solo materia normale: mettendo insieme l’85% di materia oscura e il 15% di materia normale, si arriva a un accordo tra le previsioni teoriche e le osservazioni sperimentali.

Le modalità di assorbimento delle nuvole di gas lungo la linea di osservazione dalle quasar – nota come foresta Lyman alfa – si accordano solo con uno scenario che prevede l’esistenza di materia oscura fredda.

Inoltre, sono stati osservati diversi gruppi e agglomerati di galassie in varie fasi di fusione. Qualunque osservazione venga effettuata, è possibile individuare dove vi sia materia normale dalla presenza di luce, di raggi X e di emissioni radio. Mentre è possibile ricostruire la presenza di materia oscura solo dall’osservazione delle lenti gravitazionali.

Il fatto che la maggior parte della massa non sia dove si trova la materia normale potrebbe essere l’indizio più importante per cui la spiegazione dell’Universo necessita doverosamente sia della materia normale che della materia oscura.

È stato veramente interessante acquisire alla fine le prove sperimentali necessarie per definire dove si nascondesse la materia normale dell’Universo; così come è stato un gran risultato acquisire queste prove dai lampi radio veloci.

Mentre un po’ di materia normale si trova sotto forma di stelle, una porzione inferiore alla metà si trova sotto forma di gas, mentre l’altra metà è nel plasma ionizzato che si trova tra le galassie dell’Universo. Qualunque altra cosa – polveri, pianeti, stelle, asteroidi,- è trascurabile.

Ma, come abbiamo più volte ripetuto, la maggior parte della materia totale, l’85%, è ancora mancante.

È quella che chiamiamo materia oscura; e sappiamo che non può essere desunta dalla composizione della materia normale; solo l’1% di questa materia oscura è formata da neutrini. Il restante 99% è ancora sconosciuto.

Questo è il grande mistero del nostro tempo. In pratica, tutta la materia dell’Universo risulta ancora mancante e il mistero della massa mancante è ancora lungi dall’essere risolto.