Archivi del giorno: 18 aprile 2008

Finalmente riesco a dedicarmi un pochino ad Astronomica. Purtroppo mi ci vuole sempre un pochino per fare un post della rubrica; non è esattamente come raccontare dell’ultimo guasto della mia lavatrice
La vincitrice di questa settimana è Michela, che vuole sapere qualcosa sulla materia oscura.

Allora. Tanto tempo fa, addirittura nel 1933, tale Fritz Zwicky stava facendo uno studio sugli ammassi di galassie di Coma Berenicis e di Virgo. Si chiamano così perché si osservano proprio in direzione di queste due costellazioni. Potrei aprirvi una parentesi mitologica, ma stavolta c’entra poco, e quindi soprassiedo.
Il tizio in questione stava studiando il moto di tali ammassi, e per farlo aveva bisogno di stimare la loro massa. Un buon modo per farlo è quello di calcolarla in base alla luminosità. Si procede più o meno così:
- innanzitutto si lavora galassia per galassia, visto che l’ammasso è un insieme di galassie.
- dalla luminosità si può inferire il numero complessivo di stelle
- esistono delle stime che permettono di ipotizzare la distribuzione di luminosità e massa delle stelle (ossia quante stelle ho in media con una certa luminosità e una certa massa: x stelle con massa pari al sole, ossia una massa solare, y stelle con due masse solari, e così via, per fare un esempio molto banale e semplicistico)
- se so quante stelle di ogni massa ho nella mia galassia, e so quante stelle ci sono, basta fare la somma, e ho la massa della mia galassia.
Ovviamente, questo è un calcolo “spannometrico”; nessuno mi dice che la distribuzione in massa e e luminosità che ho scelto è giusta, c’è un ampio margine di incertezza sul numero complessivo di stelle stimate nella galassia…però in genere si azzecca l’ordine di grandezza (ossia, se la massa vera è, diciamo 5,4×10^13 masse solari, allora in genere riesco a stimare quanto meno che la massa complessiva dell’ammasso è nell’ordine di 10^13 masse solari).
Insomma, il nostro Zwicky fece il conto, e ottenne un certo risultato. Spesso però i problemi si possono risolvere in più modi differenti, e logica vuole che il risultato finale sia lo stesso. Zwicky dunque ripeté la stima con un altro metodo.
Le galassie in un ammasso si muovo le une rispetto alle altre, e il loro moto dipende dalla loro massa. I moti sono infatti governati dalla gravità, e la forza di gravità dipende dalla massa degli oggetti coinvolti. Più grande è la massa, maggiore è la forza di gravità.Insomma, se conosci la velocità con cui si muovono le galassie, poi puoi risalire alla loro massa.
Zwicky fece proprio questo, e questa seconda stima lo condusse ad un valore 400 volte superiore a quello che aveva calcolato prima. Escluso che si trattasse di un errore di calcolo (anche i fisici sbagliano i conti…), era evidente che c’era della massa in quegli ammassi che “non si vedeva” ma si faceva sentire con la forza di gravità: nasceva la massa oscura.
Da allora sono emerse altre prove della sua esistenza:
- le curve rotazionali delle galassie:La forza di gravità di un qualsiasi oggetto che non sia un buco nero non è invincibile. Basta andare alla giusta velocità, e si può sfuggire da qualsiasi attrazione gravitazionale. Ad esempio, per andare sulla luna i razzi Apollo dovevano raggiungere una ben determinata velocità, che dipende dalla massa dell’oggetto che ti sta attraendo, e che nel caso della Terra è pari a 11 km/s (non è poco, sono 39600 Km/h). Sulla Luna, che ha circa un quinto della massa della terra, la velocità di fuga è di 2.4 km/s. Anche una stella che si trovi all’interno di una galassia ha una velocità di fuga; se va abbastanza veloce, può staccarsi dalla galassia. Ora, nelle zone periferiche di una galassia a spirale (vi ricordate?) le stelle hanno una velocità media di 200 km/s, maggiore della velocità di fuga della galassia di appartenenza. Quelle stelle lì non potrebbero starci. Come si spiega? Se la massa della galassia è maggiore di quella stimata, la cosa si spiega perfettamente. Maggiore la massa, più grande la velocità di fuga. Risultato, c’è della massa che non vediamo.
- le lenti gravitazionali:Vi dicevo che la forza di gravità ha origine nella massa. Solo due oggetti dotati di massa si attraggono. Oggetti senza massa, non lo fanno. Esistono oggetti senza massa? Yep, sono i fotoni, le particelle di cui è composta la luce. I fotoni non dovrebbero risentire della forza di gravità. Questo se vogliamo seguire il nostro amico Newton, che ha formalizzato la famosa espressione della forza di gravità che studiamo a scuola, ossia

Einstein, di cui un giorno vi parlerò, dice invece che la forza di gravità funziona in un modo leggermente diverso. La massa curva lo spazio. È come avere un telo elastico piatto; quello lì è il nostro spazio (più o meno; il nostro spazio è tridimensionale, il telo è bidimensionale, ma a volte semplificare le cose aiuta a capirle). Se ci mettiamo dentro un peso, il telo si incurva verso il basso, così

Ovviamente, qualsiasi oggetto si muova sul telo seguirà questa curvatura. Una pallina lanciata dritta sul telo si metterà a girare intorno al peso che ha deformato la superficie. Con la gravità succede la stessa cosa. Un oggetto dotato di massa curva lo spazio, e quindi gli oggetti che gli passano vicini sono costretti a curvare a loro volta. Se questo è vero, allora anche gli oggetti che non hanno massa dovrebbero risentire della gravità. Anche i fotoni dovrebbero curvare quando passano vicino ad un oggetto massivo. Questa cosa fu predetta da Einstein, e qualche anno dopo vista fisicamente sotto forma delle lenti gravitazionali. Cerco di spiegarvi come funzionano usando questo bel disegnino

Abbiamo un oggetto massivo nello spazio. Dietro di esso c’è qualcosa, ad esempio un ammasso di galassie. Stando dietro, io, dalla Terra, non dovrei poterlo vedere. Invece lo vedo lo stesso, perché i raggi di luce che provengono da esso girano intorno all’oggetto massivo. Volete vedere una lente gravitazionale? Eccole

Vi ho segnalato con una freccetta le lenti. Sono quegli sbaffi luminosi.Che c’entra tutto questo con la materia oscura? A volte si vedono lenti gravitazionali là dove non dovrebbero essercene, ossia create da oggetti che non dovrebbero avere massa sufficiente a generare il fenomeno.Spero di non avervi steso, perché c’è ancora da dire sulla massa oscura.
Innanzitutto cos’è. Non emettendo luce e mostrandosi solo con la propria forza di gravità, è qualcosa di molto sfuggente. Per ora esistono solo ipotesi al riguardo. C’è chi parla di nuove particelle (i cosiddetti WIMP, una mia professoressa dell’università li ha chiamati neutralini), o di particelle già note ma strane (neutrini dotati di massa), stelle particolari che non emettono luce (stelle di bosoni).
C’è però anche chi non ci crede. Alcuni scienziati hanno cercato di produrre teorie alternative che non chiamino in campo materia di natura ignota. Tra questi, che son comunque la minoranza della comunità scientifica, quello che mi sta più simpatico è Mordehai Milgrom, fisico israeliano autore della MOND (Modified Newtonian Dynamics). In pratica lui modifica un pochino la legge di gravità di Newton nelle zone periferiche della galassia. La cosa divertente è che nessuno riesce a confutare la MOND, che per altro ha una forma matematica molto complessa. A intervalli regolari vengono fuori articoli che cercano di metterla in dubbio adducendo qualche caso particolare, e puntualmente Milgrom risponde con un controarticolo in cui rifà i conti e mostra di aver ragione. Un po’ come se in fin dei conti la MOND l’avesse capita solo lui, ma questa è una battuta da astrofisica acida.

Perché ci interessa la materia oscura? Perchè il quantitativo di materia segna il destino dell’universo. Niente meno.
L’universo si sta espandendo. Contro questa espansione lotta ovviamente la forza di gravità che attrae tra loro le varie galassie. Se c’è abbastanza gravità, l’espansione potrebbe rallentare, fermarsi, anche invertirsi. Ma ovviamente la gravità dipende dalla massa. Capite bene che sapere esattamente quanta massa c’è nel nostro universo è vitale per sapere che fine faremo.
Ci sono tre possibilità:
1. universo chiuso: c’è abbastanza massa da fermare l’espansione e invertirla. L’universo quindi diverrebbe sempre più piccolo e caldo, fino a diventare un punto, com’era all’inizio dei tempi. È il Big Crunch. I più poetici (io ero tra quelli) immaginano che l’universo sia un’eterna alternanza di Big Bang (l’esplosione di quel punto) e Big Crunch.
2. universo aperto: l’espansione addirittura accelera. L’universo è destinato a diventare un posto sempre più ampio e freddo.
3. universo piatto: l’espansione decelera continuamente, ma non si annulla mai. Anche in questo caso, l’universo è destinato a diventare un posto sempre più freddo.
Lo so, la prima è la più bella, ma è la meno probabile.

Chiudo con una nota di colore; Futurama ha risolto il problema della materia oscura (erroneamente tradotta da noi “materia nera”, mentre in originale è “dark matter”). Si tratta degli escrementi di Mordicchio, usati per altro come combustibile per la navicella spaziale della Planet Express.

Bibliografia
http://www.webalice.it/ugerco/vito/02_fuga.htm
http://www.pd.astro.it/planetV/modelli/L26_03S.html
http://it.wikipedia.org/wiki/Velocità_di_fuga
http://it.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura
http://it.wikipedia.org/wiki/Relatività_generale
http://it.wikipedia.org/wiki/Lente_gravitazionale