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Astrofisica: italiani leggono ‘FIRMA’ materia oscura

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ROMA – Una quantità abnorme di antimateria: potrebbe essere questa la prima prova concreta che la materia oscura esiste davvero. A scoprirla è una ricerca internazionale ideata e coordinata dall’Italia, pubblicata su Nature. I dati che potrebbero avere aperto la prima finestra sul ‘lato oscuro’ dell’universo sono stati catturati dal satellite italiano Pamela (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), l’osservatorio che misura particelle e antiparticelle lanciato nel 2006 con una navetta russa Soyuz-U. Li ha analizzati il gruppo coordinato da Piergiorgio Picozza, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Italiana (Asi). Hanno partecipato alla ricerca la Russia, con l’Agenzia spaziale e centri di ricerca a Mosca e San Pietroburgo, l’università tedesca di Siegen e quella svedese AlbaNova di Stoccolma. “E’ un bellissimo risultato”, dice Picozza, riferendosi alla grande quantità di positroni (le particelle equivalenti agli elettroni nell’antimateria) osservata da Pamela. “E’ una prima evidenza reale della possibilità della materia oscura, anche se é necessario raccogliere altri risultati”. Nonostante siano già arrivate nuove prove e il grandissimo interesse con cui la comunità scientifica ha accolto la ricerca, servono nuovi dati per escludere tutte le altre possibili fonti di antiparticelle.
– LA MATERIA OSCURA: la sua esistenza è prevista dalla teoria del Big Bang, secondo cui la materia visibile (barionica) di cui sono fatte stelle, pianeti ed esseri umani è appena il 4-5% della materia totale. L’universo è composto per circa il 25% da materia oscura e per il restante 70% da energia oscura.
– POSITRONI IN ABBONDANZA: la grande quantità di positroni rilevata da Pamela potrebbe avere due cause. Una, naturale, potrebbe essere negli impatti dei raggi cosmici con la materia che incontrano oppure nell’attività di oggetti cosmici particolari, come le pulsar. L’altra potrebbe invece dipendere dalla materia oscura.
– LA FIRMA DELLA MATERIA OSCURA: secondo la teoria consolidata, la materia oscura sarebbe composta da neutralini, particelle dotate di massa che annichilendosi fra loro produrrebbero materia e antimateria in pari quantità. Per questo la produzione abbondante di positroni potrebbe essere considerata una prova dell’esistenza della materia oscura.
– IL FUTURO: “Siamo in una situazione affascinante e sono fiducioso”, dice Picozza. Le prossime risposte sulla materia oscura potrebbero arrivare dal satellite Fermi, che indaga sulle esplosioni più potenti dell’universo (lampi gamma), e dal più grande acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider (Lhc) del Cern di Ginevra, che dovrebbe produrre particelle di antimateria. Dai ghiacci dell’Antartide e dalle profondità del Mediterraneo gli esperimenti Icecube e Nemo dovrebbero vedere i neutralini che formano la materia oscura. E ancora dallo spazio, dice il responsabile dell’Osservazione dell’Universo dell’Asi, Enrico Flamini, “l’impegno italiano in questo campo proseguirà con la missione Ams, il più grande cacciatore di antimateria mai costruito, che verrà agganciato alla Stazione Spaziale Internazionale alla fine del prossimo anno”.  Fonte ansa

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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. Se il Modello Standard risultasse errato, non si avrebbe necessità di materia oscura. Non abbiamo infatti alcuna evidenza sperimentale se non le violazioni di un modello matematico. Nonostante dettagliate mappe dell’Universo vicino che coprono lo spettro dalle onde radio ai raggi gamma, siamo in grado di individuare solo il 10% della sua massa. Come disse nel 2001 al New York Times, astronomo all’Università di Washington

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

Le più recenti misure indicano infatti che la materia oscura costituisce circa il 30% dell’energia dell’Universo, e circa il 90% della massa.

Venne inizialmente indicata come massa mancante, ed in effetti i termini “oscura” e “mancante” riassumono abbastanza bene tutto ciò che ne sappiamo attualmente. Effettivamente esiste materia, perché possiamo osservare gli effetti gravitazionali della sua massa. Tuttavia, questa materia non emette alcuna radiazione elettromagnetica, e non risulta pertanto individuabile dagli strumenti di analisi spettroscopica, da cui l’aggettivo oscura. Il termine massa mancante può essere fuorviante, dato che non è la massa a mancare, ma solo la sua luce.

Esistono al momento diverse ipotesi per spiegare la natura fisica della massa mancante, da particelle subatomiche esotiche a una popolazione di buchi neri isolati, fino a meno esotiche nane bianche e brune.

Le evidenze osservative

La massa mancante

La storia ebbe inizio nel 1933, quando l’astronomo stava 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. Ottenne 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.

Sebbene l’evidenza sperimentale fosse già forte ai tempi di Zwicky, 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. L’esistenza di tale materia non avrebbe solo risolto la mancanza di massa negli ammassi di galassie, ma avrebbe avuto conseguenze di ben più larga portata sulla nostra capacità di predire l’evoluzione e il destino dell’Universo stesso.

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. Come accade per le orbite planetarie, ci si aspetta che stelle con orbite galattiche più grandi abbiano velocità orbitali minori (si tratta di una semplice conseguenza della terza legge di Keplero Per la verità, la terza legge di Keplero è applicabile soltanto a stelle vicine alla periferia di una galassia 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 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.

Ecco un altro modo di vedere il problema: consideriamo le stelle presso la periferia di una galassia spirale, con velocità orbitali osservate normalmente di 200 chilometri Se la galassia fosse composta solo dalla materia che possiamo vedere, queste stelle la 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 della massa di cui non teniamo conto quando sommiamo tutte le parti che possiamo vedere.

Il 21 agosto la NASA rilascia 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 e 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.

Le lenti gravitazionali

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.

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