La materia oscura In cosmologia il termine materia oscura indica quella componente di materia che dovrebbe essere presente in quanto manifesta i suoi effetti gravitazionali in molteplici fenomeni astronomici, ma le cui condizioni o la cui natura sono diverse rispetto alla materia visibile. È da notare che il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang. Infatti tale cosmologia non sa altrimenti spiegare come si siano potute ammassare le galassie in un tempo troppo breve per questo procedimento. Sempre dalle galassie e dalla cosmologia del Big Bang viene la necessità di materia oscura che deve giustificare il fatto che le galassie, oltre a formarsi, si mantengano integre anche se la materia che vediamo non sviluppa abbastanza gravità per lo scopo. Anche da questa prospettiva il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale Modello Standard che prevede come unica forza cosmologica quella gravitazionale.

La massa mancante La storia ebbe inizio nel 1933 quando l'astronomo Fritz Zwickystava studiando il moto di ammassi di galassie lontani e di grande massa, nella fattispecie l'ammasso della Chioma e quello della Vergine. Zwicky stimò la massa di ogni galassia dell'ammasso basandosi sulla sua luminosità, e sommò tutte le masse galattiche per ottenere la massa totale dell'ammasso. Ottene poi una seconda stima indipendente della massa totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità individuali delle galassie nell'ammasso. Con sua grande sorpresa, questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte più grande della stima basata sulla luce delle galassie. Però fu solo negli anni Settanta che gli scienziati iniziarono ad esplorare questa discrepanza in modo sistematico. Fu in quel periodo che l'esistenza della materia oscura iniziò ad essere presa sul serio.

La rotazione delle galassie Una ulteriore evidenza osservativa della necessità della materia oscura fu fornita dalle curve di rotazione delle galassie spirali. Le galassie spirali contengono una vasta popolazione di stelle poste su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Gli astronomi hanno condotto osservazioni delle velocità orbitali delle stelle nelle regioni periferiche di un gran numero di galassie spirali, e in nessun caso esse seguono la terza legge di Keplero. Invece di diminuire a grandi raggi, le velocità orbitali rimangono con ottima approssimazione costanti. L'implicazione è che la massa racchiusa da orbite di raggio via via maggiore aumenti, anche per stelle che sono apparentemente vicine al limite della galassia. Sebbene si trovino presso i confini della parte luminosa della galassia, questa ha un profilo di massa che apparentemente continua ben al di là delle regioni occupate dalle stelle.

Altre prove dell'esistenza della materia oscura Il 21 agosto 2006 la NASA ha rilasciato un comunicato stampa secondo cui Chandra avrebbe trovato prove dirette dell'esistenza della materia oscura, nello scontro tra due ammassi di galassie. All'inizio del 2007 gli astronomi del Cosmic Evolution Survey la Hubble Space Telescope utilizzando le informazioni ottenute dal telescopio Hubble e da strumenti a terra hanno tracciato una mappa della materia oscura rilevando che questa permea l'universo, ove si trova materia visibile deve essere presente anche grande quantità di materia oscura, ma questa è presente anche in zone dove non si trova materia visibile. Un'altra prova dell'esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali. In molti casi l'effetto della deviazione della luce è creato da una massa visibile insufficiente. Per questa ragione si sospetta la presenza di massicce quantità di materia oscura in grado di deviare il percorso della luce più di quanto lo farebbe la materia effettivamente visibile.

Ipotesi sulla materia oscura: WIMP La massa oscura è divisa in barionica e non barionica: la materia oscura barionica è composta di materiali analoghi a quelli componenti le stelle, che però non emette radiazioni; la materia oscura non barionica è composta da materiali intrinsecamente diversi (particelle supersimmetriche, neutralini, neutrini massivi, assioni), soggetti solo alla forza gravitazionale e all'interazione nucleare debole, che rappresentano in massa il 90% della massa oscura. Questo materiale è detto WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, particelle di grande massa debolmente interagenti).

Ipotesi sulla materia oscura: teorie alternative i MACHO (MAssive Compact Halo Objects, oggetti compatti di grande massa dell'alone), buchi neri primordiali; i neutrini dotati di massa; stelle solitoniche stelle di bosoni pepite di quark. Bisogna notare tuttavia che diversi ricercatori, attualmente una minoranza della comunità scientifica, non considerano soddisfacente l'ipotesi della materia oscura fisica. Le teorie che prevedono una modifica della dipendenza del campo gravitazionale dalla distanza si sono rivelate inadatte a rendere ragione delle curve di rotazione delle galassie a spirale, perché le loro previsioni risulterebbero in conflitto con altre evidenze osservative universalmente accettate. La teoria MOND pare a tutt'oggi difficilmente compatibile con la relatività generale, ma rappresenta l'ambito di ricerca meglio conosciuto realisticamente competitivo con il paradigma della materia oscura nella spiegazione dei moti galattici. Nessuna singola teoria è stata finora accettata dalla comunità astronomica, poiché siamo privi dei mezzi per verificare in modo risolutivo una teoria rispetto all'altra.

Grosso Simone, Andrea Casella e Alessandro Deda Un lavoro di Grosso Simone, Andrea Casella e Alessandro Deda