La materia oscura esiste lo dice la Sissa di Trieste

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«Abbiamo studiato la relazione tra l’accelerazione totale e la sua componente ordinaria in 106 galassie, ottenendo risultati diversi da quanto precedentemente osservato», spiega Paolo Salucci, professore di astrofisica alla Sissa e tra gli autori della ricerca. «Questo non solo dimostra l’inesattezza della relazione empirica precedentemente descritta ma elimina i dubbi sull’esistenza della materia oscura nelle galassie. Inoltre, la nuova relazione trovata potrebbe fornire informazioni cruciali alla comprensione della natura di questa componente indefinita».

Tanto affascinante quanto misteriosa, la materia oscura rappresenta uno dei grandi enigmi dell’astrofisica e della cosmologia.

Si suppone che costituisca circa il 90% della massa dell’Universo, ma la sua esistenza è stata dimostrata solo in modo indiretto e recentemente messa in discussione. Una nuova ricerca SISSA elimina i recenti dubbi sulla presenza della materia oscura all’interno delle galassie, smentendo le relazioni empiriche a sostegno di teorie alternative. Lo studio, pubblicato su The Astrophysical Journal, fornisce inoltre nuovi spunti per la comprensione della natura della materia oscura e della sua relazione con quella ordinaria. Dall’espansione dell’universo al movimento delle stelle nelle galassie, – si legge in una nota della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati – sono numerosi i fenomeni che la presenza della sola materia ordinaria, ossia composta da atomi, non è in grado di spiegare. La forza attrattiva da essa generata non è infatti sufficiente. Da qui l’ipotesi dell’esistenza della materia oscura, cioè irrilevabile, e l’idea che le galassie siano immerse in un alone sferico da essa composto.

«Tre anni fa, alcuni colleghi della Case Western Reserve University hanno messo in forte discussione la nostra comprensione dell’universo e l’approfondito lavoro di molti ricercatori e ricercatrici, mettendo in dubbio l’esistenza della materia oscura nelle galassie» spiega Chiara Di Paolo, dottoranda in astrofisica alla SISSA. «Analizzando le curve di rotazione di 153 galassie rotanti, principalmente le “classiche” spirali, hanno ottenuto una relazione empirica tra l’accelerazione gravitazionale totale delle stelle (osservata) e la componente che osserveremmo in presenza della sola materia ordinaria nella classica teoria Newtoniana. Tale relazione empirica, che sembrava valida in tutte le galassie da loro analizzate e a qualunque raggio galattico, ha indotto a spiegare l’accelerazione gravitazionale senza chiamare necessariamente in causa la materia oscura, ma coinvolgendo per esempio teorie di gravità modificata come MOND (MOdified Newtonian Dynamics)».

Materia oscura
La materia di cui siamo fatti noi, i pianeti e le galassie, tutta insieme fa solamente il 4,9 per cento della materia dell’Universo. Il 26 per cento circa del cosmo è materia invisibile: non sappiamo di che cosa sia effettivamente fatta. Il restante 69 per cento circa dell’Universo è “energia oscura”, della quale sappiamo… poco o nulla. Il fatto che la materia più diffusa nell’Universo sia “oscura” non significa solo che è invisibile ai nostri occhi o quasi del tutto sconosciuta: è oscura perché non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica, né nello spettro della luce visibile, né nei raggi X e nemmeno nelle altissime energie.

Aspetti generali

Nonostante dettagliate mappe che coprono lo spettro delle emissioni elettromagnetiche nell’Universo vicino dalle onde radio ai raggi gamma, si è riusciti a individuare solo circa il 10% della massa che risulterebbe dagli effetti gravitazionali osservabili. L’astronomo dell’Università di Washington Bruce H. Margon ha dichiarato nel 2001 al New York Times:

«È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90% [della materia] dell’Universo.»

Il concetto di materia oscura ha senso all’interno dell’attuale modello standard della cosmologia basato sul Big Bangper due ragioni fondamentali:Le più recenti misure indicano che la materia oscura costituirebbe circa l’86% della massa dell’universo e circa il 27% della sua energia. Inizialmente veniva indicata come “massa mancante”, termine che può essere fuorviante dal momento che ne apparirebbero osservabili gli effetti gravitazionali; però gli strumenti di analisi spettroscopica non rilevano la radiazione elettromagnetica di questa materia, dal che l’aggettivo “oscura” poiché a mancare sarebbe solo la sua “luce”.

  • non si potrebbe altrimenti spiegare la formazione di galassie e ammassi di galassie nel tempo calcolato dall’evento iniziale del Big Bang stesso.
  • in uno scenario cosmologico come l’attuale, che prevede come unica forza cosmologica la gravità, non si spiegherebbe come le galassie si possano mantenere integre dato che la materia visibile, composta da barioni, non è in grado di sviluppare una sufficiente attrazione gravitazionale.

Invece, se il modello dovesse risultare errato, si potrebbe non avere necessità dell’ipotesi della materia oscura, giacché essa deriva solo dalla violazione di un modello matematico e non da alcuna dimostrazione sperimentale certa.

La materia oscura non va confusa con la diversa ipotesi che va sotto il nome di energia oscura.

La rotazione delle Galassie

Curva di rotazione della galassia
Curva di rotazione della galassia: (A): predetta; (B): osservata.

L’importante prova osservativa della necessità della materia oscura è fornita dalle curve di rotazione delle galassie a spirale. Queste galassie contengono una vasta popolazione di stelle poste su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Come accade per le orbite planetarie, in base alla seconda legge di Keplero le stelle con orbite galattiche più grandi dovrebbero avere velocità orbitali minori, ma tale legge è applicabile soltanto a stelle vicine alla periferia di una galassia a spirale poiché presuppone che la massa racchiusa dall’orbita sia costante.

Tuttavia 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 seconda 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.

Considerando le stelle presso la periferia di una galassia spirale, con velocità orbitali osservate normalmente di 200 chilometri al secondo, se la galassia fosse composta solo dalla materia visibile queste stelle l’abbandonerebbero in breve tempo, dato che le loro velocità orbitali sono quattro volte più grandi della velocità di fuga dalla galassia. Dato che non si osservano galassie che si stiano disperdendo in questo modo, al loro interno deve trovarsi massa di cui non si tiene conto quando si calcola tutta quella visibile.

Di cosa è fatta la materia oscura – Video INFN

Nel dettaglio

McGaugh et al. hanno trovato, in un ampio campione di sistemi a disco, una stretta relazione non lineare tra le accelerazioni radiali totali g e i loro componenti b che sono sorti dalla distribuzione della materia barionica. Qui, indaghiamo sull’esistenza di tale relazione nelle galassie Dwarf Disk Spirals e Low Surface Brightness (LSB) sulla base di Karukes & Salucci e Di Paolo & Salucci. Abbiamo profili di massa accurati per 36 Dwarf Disk Spirals e 72 LSB galassie. Queste galassie hanno accelerazioni che coprono la gamma McGaugh ma raggiungono anche un ordine di grandezza inferiore alle più piccole accelerazioni presenti in McGaugh et al. e abbracciano diversi tipi di Hubble. Abbiamo trovato, nei nostri campioni, che il g contro b la relazione ha un profilo molto diverso e anche altre proprietà intrinseche del romanzo, tra queste, la dipendenza da una seconda variabile: il raggio galattico, normalizzato al raggio ottico opt , al quale vengono misurate le due accelerazioni. Si dimostra che la nuova non banale g rispetto $ ({G} _ {b}, r / R {} _ {\ mathrm {opt}}) $rapporto è una conseguenza diretta delle complesse distribuzione della massa coordinati delle barioni e la materia oscura (DM) in sistemi disco. La nostra analisi mostra che McGaugh et al. la relazione è un caso limite di una nuova relazione universale che può essere ben inquadrata nel paradigma standard “DM halo in the Newtonian Gravity”.

 

Riferimenti ed approfondimenti:

  1. The Astrophysical Journal l’articolo “The Radial Acceleration Relation (RAR): the crucial cases of Dwarf Discs and of Low Surface Brightness galaxies“, di Chiara Di Paolo, Paolo Salucci e Jean Philippe Fontaine

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