Materia oscura e struttura dell’universo

Uno dei componenti più enigmatici dell’universo è indubbiamente la materia oscura. Sebbene si abbia una notevole evidenza che la materia normale presente nell’universo – ovvero l’insieme delle particelle note, secondo il Modello Standard – non possa spiegare la maggior parte degli effetti gravitazionali osservati, tuttavia tutta questa evidenza ci perviene in maniera indiretta. Bisogna ancora acquisire un minimo di prova diretta, ripetibile e verificabile, che una qualunque particella possa essere attribuita alla presenza di materia oscura.

Una completa evidenza pone dei vincoli molto stretti su ogni interazione non gravitazionale che la materia oscura potrebbe possedere. Ma se la materia oscura interagisce solo attraverso la forza gravitazionale, è in grado di spiegare realmente la struttura dell’universo? Ovvero, se le particelle di materia oscura non interagiscono e l’unica forza che governa il loro moto è la gravità, come fanno le particelle di materia oscura a fondersi in una nuvola? Perché non tutte le particelle sono iperboliche?

La risposta, a questa domanda complessa, ci conduce al cuore di come funziona la gravità nell’universo.

Nel nostro sistema solare, più del 99,8% della massa è localizzata sul Sole. Se ogni altra massa si dovesse avvicinare al Sole, tanto da esserne influenzata, questa massa può prendere solo quattro possibili traiettorie.

1. Può effettuare una traiettoria ellittica attorno al Sole, che seguirà indefinitamente, se è legata gravitazionalmente;

2. Può seguire un’orbita circolare attorno al Sole; si tratta sempre di una situazione di legame gravitazionale con il Sole, ma con la presenza di alcuni particolari parametri orbitali;

3. Può seguire un’orbita parabolica attorno al Sole; si tratta di una situazione in cui la massa si trova in uno stato limite tra l’essere legata e non legata al Sole (per effetto gravitazionale)

4. Infine, può compiere un’orbita iperbolica, se non vi è alcun legame gravitazionale tra la massa e il Sole.

Gli oggetti che, dall’esterno, entrano dentro il nostro sistema solare, compiranno sempre un’orbita iperbolica, fintanto che sono influenzati solo dalla gravitazione del Sole (e non da altri oggetti del sistema solare). Questo avviene perché la gravità è una forza conservativa: gli oggetti che hanno solo interazioni gravitazionali, entreranno dentro una regione dello spazio con la stessa velocità e la stessa energia cinetica con cui lasciano quella regione. La gravità va ad influire solo sulla traiettoria degli oggetti, non sulla loro velocità o sulla loro energia; entrambe queste quantità si conservano, poiché né l’energia né la quantità di moto possono essere liberate o perse dal sistema.

Anche se le osservazioni ci dicono che ciò è vero in un’ampia varietà di casi – sia all’interno che al di fuori del sistema solare – teoricamente, è vero anche nella gravità newtoniana, e dovrebbe essere vero anche nella relatività generale, se si è disposti a ignorare la piccola quantità di energia che viene persa per effetto delle onde gravitazionali. Ciò significa che qualunque oggetto, sottoposto solamente a un’interazione gravitazionale, fosse anche una singola particella di materia oscura, entrerebbe all’interno del sistema solare con una determinata velocità, si avvicinerebbe al Sole, raggiungerebbe una velocità massima, sarebbe quindi spostato dalla gravità, e lascerebbe il sistema solare con la stessa velocità (ma con una direzione diversa) che aveva quando è entrato.

Il motivo per cui la materia normale va a costituire le complesse strutture che vediamo, come le galassie, gli aggregati di stelle, altri singoli sistemi solari, è perché essa è soggetta anche a interazioni non-gravitazionali. Attraverso la forza elettromagnetica e nucleare, la materia normale è in grado di:

• sperimentare collisioni anelastiche, a seguito delle quali due o più particelle si legano per formare una particella composta;

• interagire con una radiazione, in modo da poter emettere energia (sotto forma di calore) o assorbire radiazione, modificando così la propria energia cinetica e la quantità di moto;

• dissipare energia, dando origine a un tipo di collassamento gravitazionale che non può essere attuato dalla materia oscura.

Quindi, in un sistema immutabile, se una particella di materia oscura che vi entra dentro con una determinata velocità, avrà in uscita la medesima velocità, una particella di materia normale sarebbe soggetta a interazioni non-gravitazionali con tutte le altre particelle di materia normale e con la radiazione presente all’interno del sistema. In generale, le collisioni tra queste particelle determinano un trasferimento di energia, portando alla produzione di radiazione, e creando uno stato finale che è leggermente più legato rispetto a quello iniziale.

Poiché la materia normale, a differenza della materia oscura, può dissipare la sua energia e la sua quantità di moto, essa può formare delle strutture legate e collassate. Una proprietà, questa, che non possiede la materia oscura. Se, quando un oggetto cade all’interno di una struttura fissa e immutabile, risente solamente di interazioni gravitazionali, esso abbandonerà la struttura con le stesse proprietà che aveva all’inizio.

Ma l’universo non è proprio una struttura fissa e immutabile, e ciò cambia di molto le cose. In particolare, vi sono due fenomeni da considerare, perché entrambi giocano un ruolo fondamentale.

1. L’universo non è statico e immutabile, piuttosto si espande con il tempo.

2. Le strutture che si trovano all’interno dell’universo non sono statiche e immutabili, ma risentono, nel tempo, di una crescita gravitazionale.

Queste due situazioni, da parte loro, possono modificare il destino di una particella di materia oscura che arriva sotto l’influenza di una strutta massiccia, che le capita di incontrare.

Universo in espansione

L’universo in espansione comporta una riduzione della densità delle particelle, in quanto il volume dell’universo cresce, mentre la massa delle particelle rimane invariata. In questo modo la lunghezza d’onda della radiazione si sposta verso il rosso (redshift), in quanto la distanza tra due punti qualsiasi nell’universo cresce nel tempo, allungando la sua lunghezza d’onda e portandola a energie sempre più basse. Ma tutte le particelle dotate di massa, anche quelle associabili alla materia oscura, risentono dell’espansione dell’universo. Queste particelle, a differenza dei fotoni, non sono definite da una specifica lunghezza d’onda, ma possiedono una loro energia cinetica in ogni dato istante. Con il passare del tempo, man mano che l’universo si espande, questa energia cinetica tenderà a diminuire, abbassando la velocità delle particelle rispetto a un osservatore.

Si immagini dunque di avere una particella che si muove attraverso lo spazio, da un punto A (partenza) a un punto B (arrivo). Se lo spazio fosse immutabile e fisso, e se non ci fosse la gravità, qualunque sia la velocità nel punto A, essa avrebbe lo stesso valore nel punto B.

Ma, come detto, lo spazio è in espansione. La particella lascia il punto A con una velocità, data dal rapporto tra la distanza coperta e il tempo impiegato. Con l’espansione dell’universo, anche la distanza tra i punti A e B si espande e aumenta con il tempo. Con il passare del tempo la particella percorrerà una percentuale di spazio sempre più bassa, per andare da A a B. In altre parole, la particella, avvicinandosi verso il punto B, avrà una velocità sempre più bassa.

Questa situazione si verifica anche quando una particella di materia oscura si avvicina e cade dentro una grande struttura gravitazionale, come una galassia o un aggregato (cluster) di galassie. Dal momento in cui la particella entra dentro la struttura fino a quando raggiunge la zona dalla quale lascerà la struttura stessa, l’espansione dell’universo ne ha diminuito la velocità. Questo significa che una particella entrante, che non risentiva di alcun effetto di legame gravitazionale, al momento dell’impatto con la struttura, per effetto dell’espansione dell’universo, può risentire di una forma di legame gravitazionale.

Crescita gravitazionale

Si tratta di un fenomeno leggermente differente, ma non meno importante: al crescere della quantità di massa accumulata, strutture legate gravitazionalmente crescono con il passare del tempo. La gravità è come una forza in fuga, nel senso che, partendo da un universo uniforme, dove la densità è la stessa in ogni punto, esclusa una regione in cui si rileva una densità leggermente superiore rispetto alla media, quella regione, nel tempo, tenderà a inghiottire sempre più materia che le passa vicino. Al crescere della massa all’interno di quella regione, cresce anche la forza gravitazionale, che tenderà quindi ad attrarre sempre più massa.

Si immagini adesso di avere una particella di materia oscura, che entra in una di queste regioni, che crescono per effetto gravitazionale. La particella penetra dentro la regione con una velocità piccola, ma positiva, e viene assorbita dalla quantità di massa che si trova dentro la regione. Andando verso il centro di questa regione, la quantità di massa presente farà accelerare la particella. Ma, all’interno della regione vi sono pure altre masse – sia dovute alla materia normale che alla materia oscura – che vanno a incrementare la densità e la massa totale dell’intera regione.

Raggiunto il periasse dell’orbita (il punto più vicino al centro di massa della struttura), la particella comincia il percorso inverso. Nel frattempo, però, la quantità di massa che la particella deve superare per uscire, è cresciuta. È come se la particella fosse caduta in un sistema solare, con la massa del nostro Sole, ma, nel viaggio di ritorno, è come se la particella dovesse fuggire da un sistema, la cui massa complessiva è di qualche punto percentuale superiore a quella del Sole. In altre parole, se la velocità di ingresso della particella è bassa, essa non sarà capace di uscire dal sistema e vi rimarrà legata gravitazionalmente per sempre.

Questi due effetti acquisiscono un’importanza più rilevante se agiscono in combinazione.

Quando si simula la formazione dell’universo, con la combinazione di entrambi gli effetti, si deduce non solo che la materia oscura rappresenta la maggior parte della massa delle strutture legate che ne scaturiscono, ma che, anche simulando un universo costituito solo da materia oscura – ovvero senza materia normale – esso sarebbe sempre costituito da un’ampia rete cosmica di strutture.

Se l’universo fosse come lo aveva immaginato Einstein – statico e immutabile – non sarebbe possibile alcun legame gravitazionale delle particelle di materia oscura. Qualunque struttura, all’interno della quale fosse andata a finire una particella di materia oscura, un attimo dopo avrebbe visto fuggire questa particella: una situazione che si sarebbe verificata ugualmente con i pianeti, con il sistema solare, con le galassie e con i cluster di galassie.

Ma poiché l’universo si espande, con la conseguente riduzione dell’energia cinetica delle particelle che lo attraversano, e poiché anche le strutture crescono gravitazionalmente con il tempo, rendendo più difficile per una particella uscire dalla struttura, allora le particelle di materia oscura finiscono per rimanere legate gravitazionalmente dentro queste strutture. Sebbene queste particelle non collidano, non scambiano quantità di moto, e non dissipano energia, comunque contribuiscono in maniera significativa alla struttura in larga scala dell’universo. Se da una parte la materia normale collassa per formare strutture ultra dense, come le stelle e i pianeti, la materia oscura rimane dentro degli ampi e diffusi aloni e filamenti. Quando si affronta il tema della struttura su larga scala dell’universo, la presenza della materia oscura ha un chiaro effetto che non si può ignorare.

Fonte: Forbes.com