Stai probabilmente guardando una delle migliori mappe della materia oscura che abbiamo. Gli astronomi hanno colorato di blu le concentrazioni di materia oscura nel gigantesco ammasso di galassie Abell 1689. Hanno scoperto la posizione di quelle concentrazioni usando la lente gravitazionale. Immagine per gentile concessione della NASA, ESA, e D. Coe (NASA JPL/Caltech e STScI) Nel successivo album del 1978 di "Born to Run, "Bruce Springsteen usa l'oscurità ai margini della città come metafora per l'ignoto desolato che tutti affrontiamo mentre cresciamo e cerchiamo di capire il mondo.
I cosmologi che lavorano per decifrare l'origine e il destino dell'universo devono identificarsi completamente con il senso di tragico desiderio di The Boss. Questi scienziati che osservano le stelle hanno dovuto affrontare la propria oscurità ai margini della città (o ai margini delle galassie) per molto tempo mentre cercano di spiegare uno dei più grandi misteri dell'astronomia. È noto come materia oscura , che è esso stesso un segnaposto - come x o y usato nella classe di algebra - per qualcosa di sconosciuto e finora invisibile. Un giorno, godrà di un nuovo nome, ma oggi siamo bloccati con l'etichetta temporanea e le sue connotazioni di oscura incertezza.
Solo perché gli scienziati non sanno come chiamare materia oscura non significa che non ne sappiano nulla. Loro sanno, Per esempio, che la materia oscura si comporta in modo diverso dalla materia "normale", come le galassie, stelle, pianeti, asteroidi e tutti gli esseri viventi e non viventi sulla Terra. Gli astronomi classificano tutte queste cose come materia barionica , e sanno che la sua unità fondamentale è l'atomo, che a sua volta è composto da particelle subatomiche ancora più piccole, come i protoni, neutroni ed elettroni.
A differenza della materia barionica, la materia oscura non emette né assorbe luce o altre forme di energia elettromagnetica. Gli astronomi sanno che esiste perché qualcosa nell'universo sta esercitando forze gravitazionali significative sulle cose che possiamo vedere. Quando misurano gli effetti di questa gravità, gli scienziati stimano che la materia oscura aggiunga fino al 23 percento dell'universo. La materia barionica rappresenta solo il 4,6%. E un altro mistero cosmico noto come energia oscura fa il resto:un enorme 72 percento [fonte:NASA / WMAP]!
Quindi cos'è la materia oscura? Da dove proviene? Dov'è adesso? In che modo gli scienziati studiano le cose quando non possono vederle? E cosa sperano di ottenere risolvendo il puzzle? La materia oscura è il segreto per consolidare il modello standard della fisica delle particelle, o cambierà radicalmente il modo in cui vediamo e comprendiamo il mondo che ci circonda? Tante domande a cui rispondere. Inizieremo dall'inizio – dopo.
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Gli astronomi sono stati affascinati dalle galassie per secoli. Per prima cosa è arrivata la consapevolezza che il nostro sistema solare giaceva avvolto tra le braccia di un enorme corpo di stelle. Poi sono arrivate le prove dell'esistenza di altre galassie oltre la Via Lattea. Negli anni '20, scienziati come Edwin Hubble stavano catalogando migliaia di "universi insulari" e registrando informazioni sulle loro dimensioni, rotazioni e distanze dalla Terra.
Un aspetto chiave che gli astronomi speravano di misurare era la massa di una galassia. Ma non puoi semplicemente pesare qualcosa delle dimensioni di una galassia:devi trovare la sua massa con altri metodi. Un metodo è misurare l'intensità della luce, o luminosità. Più luminosa è una galassia, più massa possiede (vedi Come funzionano le stelle). Un altro approccio è calcolare la rotazione del corpo di una galassia, o disco, monitorando la velocità con cui le stelle all'interno della galassia si muovono attorno al suo centro. Le variazioni nella velocità di rotazione dovrebbero indicare regioni di gravità variabile e quindi massa.
Quando gli astronomi iniziarono a misurare le rotazioni delle galassie a spirale negli anni '50 e '60, hanno fatto una scoperta sconcertante. Si aspettavano di vedere le stelle vicino al centro di una galassia, dove la materia visibile è più concentrata, si muovono più velocemente delle stelle ai margini. Quello che hanno visto invece è che le stelle ai margini di una galassia hanno la stessa velocità di rotazione delle stelle vicino al centro. Gli astronomi lo hanno osservato per la prima volta con la Via Lattea, poi, negli anni '70, Vera Rubin ha confermato il fenomeno quando ha effettuato misurazioni quantitative dettagliate di stelle in diverse altre galassie, compreso Andromeda (M31).
L'implicazione di tutti questi risultati indicava due possibilità:c'era qualcosa di fondamentalmente sbagliato nella nostra comprensione della gravità e della rotazione, il che sembrava improbabile dato che le leggi di Newton avevano resistito a molte prove per secoli. O, più probabilmente, le galassie e gli ammassi galattici devono contenere una forma invisibile di materia – ciao, materia oscura – responsabile degli effetti gravitazionali osservati. Mentre gli astronomi concentravano la loro attenzione sulla materia oscura, iniziarono a raccogliere ulteriori prove della sua esistenza.
Pionieri della materia oscuraIl concetto di materia oscura non è nato con Vera Rubin. Nel 1932, l'astronomo olandese Jan Hendrik Oort osservò che le stelle nelle nostre vicinanze galattiche si muovevano più rapidamente di quanto previsto dai calcoli. Ha usato il termine "materia oscura" per descrivere la massa non identificata necessaria per causare questo aumento di velocità. Un anno dopo, Fritz Zwicky iniziò a studiare le galassie nell'ammasso di Coma. Utilizzando misurazioni di luminosità, ha determinato quanta massa dovrebbe essere nel cluster e poi, perché massa e gravità sono correlate, calcolato quanto velocemente dovrebbero muoversi le galassie. Quando ha misurato le loro velocità effettive, però, scoprì che le galassie si muovevano molto, molto più velocemente di quanto si aspettasse. Per spiegare la discrepanza, Zwicky ha suggerito che più massa - due ordini di grandezza in più - giace nascosta tra la materia visibile. come Oort, Zwicky ha chiamato questa roba invisibile materia oscura [fonte:SuperCDMS alla Queen's University].
È un doppio anello di Einstein! Hubble ha scattato la foto del campo gravitazionale di una galassia ellittica che deforma la luce di due galassie esattamente dietro di essa. Grazie, Hubble. Immagine per gentile concessione della NASA, ESA, e R. Gavazzi e T. Treu (Università della California, Santa Barbara) Gli astronomi hanno continuato a trovare informazioni sconcertanti mentre studiavano le lontane galassie dell'universo. Alcuni intrepidi osservatori di stelle hanno rivolto la loro attenzione a ammassi galattici – nodi di galassie (da solo 50 fino a migliaia) legati insieme dalla gravità – sperando di trovare pozze di gas caldo che in precedenza non erano state rilevate e che potrebbero spiegare la massa attribuita alla materia oscura.
Quando hanno girato i telescopi a raggi X, come l'Osservatorio a raggi X Chandra, verso questi grappoli, hanno effettivamente trovato vaste nuvole di gas surriscaldato. Non abbastanza, però, per tenere conto delle discrepanze di massa. La misurazione della pressione del gas caldo negli ammassi galattici ha dimostrato che ci deve essere da cinque a sei volte più materia oscura di tutte le stelle e i gas che osserviamo [fonte:Chandra X-ray Observatory]. Altrimenti, non ci sarebbe gravità sufficiente nell'ammasso per impedire la fuoriuscita del gas caldo.
Gli ammassi galattici hanno fornito altri indizi sulla materia oscura. Prendendo in prestito dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein, gli astronomi hanno dimostrato che ammassi e superammassi possono distorcere lo spazio-tempo con la loro immensa massa. I raggi di luce emanati da un oggetto lontano dietro un ammasso passano attraverso lo spazio-tempo distorto, che fa piegare e convergere i raggi mentre si muovono verso un osservatore. Perciò, l'ammasso agisce come una grande lente gravitazionale, proprio come una lente ottica (vedi Come funziona la luce).
L'immagine distorta dell'oggetto distante può apparire in tre modi possibili a seconda della forma dell'obiettivo:
Misurando l'angolo di piegatura, gli astronomi possono calcolare la massa della lente gravitazionale (maggiore è la curva, più massiccia è la lente). Usando questo metodo, gli astronomi hanno confermato che gli ammassi galattici hanno effettivamente masse elevate che superano quelle misurate dalla materia luminosa e, di conseguenza, hanno fornito ulteriori prove della materia oscura.
Chandra in soccorsoNel 2000, Chandra ha osservato una gigantesca nube di gas caldo che avvolge l'ammasso di galassie Abell 2029, portando gli astronomi a stimare che l'ammasso deve contenere una quantità di materia oscura equivalente a più di cento trilioni di soli! Se altri cluster hanno caratteristiche simili, quindi dal 70 al 90 percento della massa dell'universo potrebbe essere attribuito alla materia oscura [fonte:Chandra X-ray Observatory].
Questa immagine composita dell'ammasso di galassie Abell 520 si è sovrapposta, mappe "falsi colori" che mostrano la concentrazione di luce stellare dell'ammasso (arancione), gas caldo (verde) e materia oscura (gran parte del blu). Immagine per gentile concessione della NASA, ESA, CFHT, CXO, MJ Jee (Università della California, Davis), e A. Mahdavi (Università statale di San Francisco) Mentre gli astronomi raccoglievano indizi sull'esistenza - e sull'incredibile quantità - di materia oscura, si sono rivolti al computer per creare modelli di come potrebbero essere organizzate le cose strane. Hanno fatto ipotesi plausibili su quanta materia barionica e oscura potrebbe esistere nell'universo, quindi lascia che il computer disegni una mappa basata sulle informazioni. Le simulazioni hanno mostrato la materia oscura come un materiale simile a una ragnatela intrecciata con la normale materia visibile. In alcuni posti, la materia oscura si fuse in grumi. In altri luoghi, si stendeva a formare lungo, filamenti filamentosi su cui le galassie appaiono impigliate, come insetti catturati nella seta dei ragni. Secondo il calcolatore, la materia oscura potrebbe essere ovunque, legando insieme l'universo come una sorta di tessuto connettivo invisibile.
Da allora, gli astronomi hanno lavorato diligentemente per creare una mappa della materia oscura simile basata sull'osservazione diretta. E hanno usato uno degli stessi strumenti, le lenti gravitazionali, che hanno aiutato a dimostrare l'esistenza della materia oscura in primo luogo. Studiando gli effetti di flessione della luce degli ammassi di galassie e combinando i dati con misurazioni ottiche, sono stati in grado di "vedere" il materiale invisibile e hanno iniziato ad assemblare mappe accurate.
In alcuni casi, gli astronomi stanno mappando singoli ammassi. Per esempio, nel 2011, due team hanno utilizzato i dati dell'Osservatorio a raggi X di Chandra e altri strumenti come il telescopio spaziale Hubble per mappare la distribuzione della materia oscura in un ammasso di galassie noto come Abell 383, che si trova a circa 2,3 miliardi di anni luce dalla Terra. Entrambe le squadre sono arrivate alla stessa conclusione:la materia oscura nell'ammasso non è sferica ma ovoidale, come un football americano, orientato con un'estremità rivolta verso gli osservatori. I ricercatori non erano d'accordo, però, sulla densità della materia oscura attraverso Abell 383. Un team ha calcolato che la materia oscura è aumentata verso il centro dell'ammasso, mentre l'altro misurava meno materia oscura al centro. Anche con queste discrepanze, gli sforzi indipendenti hanno dimostrato che la materia oscura poteva essere rilevata e mappata con successo.
Nel gennaio 2012, un team internazionale di ricercatori ha pubblicato i risultati di un progetto ancora più ambizioso. Utilizzando la fotocamera da 340 megapixel del telescopio Canada-Francia-Hawaii (CFHT) sul monte Mauna Kea alle Hawaii, gli scienziati hanno studiato gli effetti della lente gravitazionale di 10 milioni di galassie in quattro diverse regioni del cielo per un periodo di cinque anni. Quando hanno cucito tutto insieme, avevano un'immagine della materia oscura che osservava attraverso 1 miliardo di anni luce di spazio - la mappa più grande della materia invisibile prodotta fino ad oggi. Il loro prodotto finito somigliava alle precedenti simulazioni al computer e rivelava una vasta rete di materia oscura che si estendeva nello spazio e si mescolava con la materia normale che conosciamo da secoli.
Sulla base delle prove, la maggior parte degli astronomi concorda sull'esistenza della materia oscura. Oltre a questo, hanno più domande che risposte. La domanda più grande, osiamo dire uno dei più grandi di tutta la cosmologia, si concentra sull'esatta natura della materia oscura. è un esotico, tipo di materia sconosciuta, o è materia ordinaria che abbiamo difficoltà a osservare?
Quest'ultima possibilità sembra improbabile, ma gli astronomi hanno preso in considerazione alcuni candidati, che chiamano MACHOs , o oggetti aureola compatti massicci . I MACHO sono oggetti di grandi dimensioni che risiedono negli aloni delle galassie ma sfuggono al rilevamento perché hanno una luminosità così bassa. Tali oggetti includono nane brune, nane bianche estremamente fioche, stelle di neutroni e persino buchi neri. I MACHO probabilmente contribuiscono in qualche modo al mistero della materia oscura, ma semplicemente non ce ne sono abbastanza per spiegare tutta la materia oscura in una singola galassia o ammasso di galassie.
Gli astronomi pensano che sia più probabile che la materia oscura sia costituita da un tipo completamente nuovo di materia costruito da un nuovo tipo di particella elementare. All'inizio, hanno considerato neutrini , particelle fondamentali ipotizzate per la prima volta negli anni '30 e poi scoperte negli anni '50, ma poiché hanno una massa così piccola, gli scienziati dubitano che costituiscano molta materia oscura. Altri candidati sono frutto dell'immaginazione scientifica. Sono conosciuti come WIMP (per particelle massicce che interagiscono debolmente ), e se esistono, queste particelle hanno masse decine o centinaia di volte maggiori di quelle di un protone ma interagiscono così debolmente con la materia ordinaria che sono difficili da rilevare. Le WIMP potrebbero includere un numero qualsiasi di particelle strane, come:
Gli scienziati di tutto il mondo continuano a cacciare aggressivamente queste particelle. Uno dei loro laboratori più importanti, il Large Hadron Collider (LHC), giace in profondità nel sottosuolo in un tunnel circolare lungo 16,5 miglia che attraversa il confine franco-svizzero. Dentro il tunnel, i campi elettrici accelerano due fasci carichi di protoni a velocità assurde e poi consentono loro di scontrarsi, che libera un complesso spruzzo di particelle. L'obiettivo degli esperimenti di LHC non è produrre WIMP direttamente, ma per produrre altre particelle che potrebbero decadere in materia oscura. Questo processo di decadimento, anche se quasi istantaneo, consentirebbe agli scienziati di monitorare i cambiamenti di quantità di moto e di energia che fornirebbero prove indirette di una particella nuova di zecca.
Altri esperimenti coinvolgono rivelatori sotterranei che sperano di registrare particelle di materia oscura che sfrecciano da e attraverso la Terra (vedi barra laterale).
Sepolto in MinnesotaSe le galassie lontane si trovano tipicamente all'interno di un velo di materia oscura, allora la Via Lattea può, pure. E se è così, allora la Terra deve passare attraverso un mare di particelle di materia oscura mentre orbita intorno al sole, e il sole viaggia intorno alla galassia. Per rilevare queste particelle, il team Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) ha seppellito una serie di cellule di germanio in profondità sotto terra a Soudan, Minn. Se esistono particelle di materia oscura, dovrebbero passare attraverso la terra solida e colpire i nuclei degli atomi di germanio, che si contrarrà e produrrà piccole quantità di calore ed energia. Nel 2010, il team ha riferito di aver rilevato due WIMP candidati che colpivano la matrice di cellule. In definitiva, gli scienziati hanno deciso che i risultati non erano statisticamente significativi, ma era un altro indizio allettante nella ricerca della sostanza più misteriosa dell'universo.
Non tutti sono venduti sulla materia oscura, Non da un colpo lungo. Alcuni astronomi credono che le leggi del moto e della gravità, formulato da Newton e ampliato da Einstein, potrebbero aver finalmente incontrato la loro partita. Se è il caso, poi una modifica della gravità, non una particella invisibile, potrebbe spiegare gli effetti attribuiti alla materia oscura.
Negli anni '80, il fisico Mordehai Milgrom suggerì che la seconda legge del moto di Newton (forza =massa x accelerazione, f =ma) andrebbe riesaminato nei casi di moti galattici. La sua idea di base era che ad accelerazioni molto basse, corrispondente a grandi distanze, la seconda legge è crollata. Per farlo funzionare meglio, aggiunse una nuova costante matematica alla famosa legge di Newton, chiamando la modifica LUNEDI' , o Dinamica newtoniana modificata . Poiché Milgrom ha sviluppato MOND come soluzione a un problema specifico, non come un principio fisico fondamentale, molti astronomi e fisici hanno gridato allo scandalo.
Anche, MOND non può spiegare le prove della materia oscura scoperta da altre tecniche che non coinvolgono la seconda legge di Newton, come l'astronomia a raggi X e le lenti gravitazionali. Una revisione del 2004 di MOND, conosciuto come TeVeS ( Tensore-Vettore-Gravità scalare ), introduce tre diversi campi nello spazio-tempo per sostituire l'unico campo gravitazionale. Poiché TeVeS incorpora la relatività, può ospitare fenomeni come il lensing. Ma questo non ha risolto il dibattito. Nel 2007, i fisici hanno testato la seconda legge di Newton fino ad accelerazioni fino a 5 x 10 -14 SM 2 e ha riportato che f =ma è vero senza modifiche necessarie (vedi American Institute of Physics News Update:"Newton's Second Law of Motion, "11 aprile 2007), rendendo MOND ancora meno attraente.
Ancora altre alternative considerano la materia oscura come un'illusione risultante dalla fisica quantistica. Nel 2011, Dragan Hajdukovic dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) ha proposto che lo spazio vuoto sia pieno di particelle di materia e antimateria che non sono solo opposti elettrici, ma anche gravitazionali opposti. Con diverse cariche gravitazionali, le particelle di materia e antimateria formerebbero dipoli gravitazionali nello spazio. Se questi dipoli si formassero vicino a una galassia, un oggetto con un enorme campo gravitazionale, i dipoli gravitazionali si polarizzano e rafforzerebbero il campo gravitazionale della galassia. Ciò spiegherebbe gli effetti gravitazionali della materia oscura senza richiedere forme di materia nuove o esotiche.
Secondo questa cronologia della NASA, l'espansione dell'universo sta accelerando. Immagine per gentile concessione della NASA Se la materia oscura agisce come colla cosmica, gli astronomi devono essere in grado di spiegare la sua esistenza nei termini della teoria prevalente della formazione dell'universo. La teoria del big bang afferma che l'universo primordiale ha subito un'enorme espansione ed è ancora in espansione oggi. Perché la gravità raggruppi le galassie in pareti o filamenti, ci devono essere grandi quantità di massa residua dal big bang, massa particolarmente invisibile sotto forma di materia oscura. Infatti, simulazioni al supercomputer della formazione dell'universo mostrano che le galassie, ammassi galattici e strutture più grandi possono eventualmente formarsi da aggregazioni di materia oscura nell'universo primordiale.
Oltre a dare struttura all'universo, la materia oscura può avere un ruolo nel suo destino. L'universo si sta espandendo, ma si espanderà per sempre? La gravità alla fine determinerà il destino dell'espansione, e la gravità dipende dalla massa dell'universo; nello specifico, c'è una densità critica di massa nell'universo di 10 -29 g/cm 3 (equivalente a pochi atomi di idrogeno in una cabina telefonica) che determina cosa potrebbe accadere.
Le misurazioni della densità di massa devono includere sia la materia chiara che quella oscura. Così, è importante sapere quanta materia oscura esiste nell'universo.
Recenti osservazioni dei moti di supernove distanti suggeriscono che il tasso di espansione dell'universo stia effettivamente accelerando. Questo apre una quarta possibilità, un universo in accelerazione, in cui tutte le galassie si allontaneranno l'una dall'altra in modo relativamente rapido e l'universo diventerà freddo e buio (più velocemente che nell'universo aperto, ma sempre dell'ordine di decine di miliardi di anni). Non si sa cosa provochi questa accelerazione, ma è stata chiamata energia oscura. Energia oscura è ancora più misterioso della materia oscura – e solo un altro esempio dell'oscurità dell'astronomia ai margini della città. Forse l'universo, come suggerisce Springsteen, porterà a lungo i suoi segreti, a lungo:
Tutti hanno un segreto, figliolo, Qualcosa che non possono affrontare, Alcune persone passano tutta la vita cercando di tenerlo, Lo portano con sé ad ogni passo che fanno.
Pubblicato originariamente:4 settembre 2007
