Come è fatto l’universo? Chi ha scoperto l’Energia oscura e materia oscura?

Com’è fatto l’universo?

Approssimativamente solo il 4% di tutta la materia dell’universo a noi visibile ed è composta da protoni, neutroni ed elettroni. Cioè, il tipo di materia che forma le stelle, i pianeti, i soli, gli esseri viventi

Forma anche l’intera tavola degli elementi e naturalmente, l’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’Universo conosciuto, e l’elio, che è il secondo. Tuttavia, finora, abbiamo spiegato solo il 4% dell’universo. Di cosa è fatto il resto?

Materia oscura ed Energia oscura

Tutta l’altra materia, cioè praticamente tutto l’universo, è invisibile. Non l’abbiamo mai vista,  e mai toccata, e quanto meglio dove sia. In più non c’è modo che noi sappiamo per arrivarci. Non sappiamo che aspetto abbia o come si comporti. Non sappiamo cosa faccia esattamente. Tutto ciò è pura congettura. Nello specifico, questa parte dell’universo è composta da energia oscura al 73% e  di materia oscura al 23%.

L’energia oscura è un’ipotetica forma di materia che sarebbe presente in tutto lo spazio. Produce pressione negativa e tenden ad aumentare l’accelerazione dell’espansione dell’Universo, risultando in una forza gravitazionale repulsiva.

Cioè, quasi l’intero universo è fatto di qualcosa che non capiamo molto bene. Sappiamo solo che l’universo si sta espandendo sempre più velocemente e che questo deve essere il risultato dell’energia oscura. Come suggeriscono le osservazioni di supernove molto distanti da parte del Supernova Cosmology Project presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

L’energia oscura è molto scarsa e non interagisce con le forze dell’universo, tranne la gravità. Sulla sua composizione ci sono solo una manciata di ipotesi. Alcuni teorici pensano che l’energia oscura e l’accelerazione cosmica siano un fallimento della relatività generale su scale molto grandi, più grandi dei superammassi. Ma uno scienziato onesto, di fronte alla domanda: di cosa è fatta l’energia oscura?, dovrebbe semplicemente alzare le spalle.

Come si trasforma l’energia oscura in materia oscura?

L’energia oscura può trasformarsi in materia oscura quando viene colpita da particelle barioniche. Portando così a eccitazioni simili a particelle in una sorta di campo dinamico, noto come quintessenza. La quintessenza differisce dalla costante cosmologica in quanto può variare nello spazio e nel tempo.

La conseguenza più diretta dell’esistenza dell’energia oscura e dell’accelerazione dell’universo è il fatto che sia più antica di quanto si credesse in precedenza. Se si calcola l‘età dell’universo sulla base dei dati attuali della costante di Hubble, si ottiene un’età di 10 miliardi di anni. Questo risultato è inferiore all’età delle stelle più antiche che si possono osservare negli ammassi globulari, il che crea un paradosso insormontabile.

Di cosa è fatta la materia oscura?

La difficoltà dell’analisi della materia oscura è che non interagisce con la luce, il che rende impossibile vederla attraverso i telescopi ottici. Tuttavia, grazie alla sua interazione gravitazionale con stelle e galassie, è stato possibile rilevarne la presenza con metodi indiretti. Un’alternativa che si sta prendendo in considerazione è che i neutrini siano ad essa correlati. Queste minuscole particelle elementari provengono dalle reazioni termonucleari delle stelle. A differenza di altre particelle, i neutrini non hanno carica elettrica. Non interagiscono praticamente con nulla. Quindi sono molto scivolosi e riempiono tutto. Lo svantaggio è che non hanno quasi massa.

Un’altra alternativa si trova nelle nane brune. Si tratta di stelle molto piccole con un’enorme quantità di materia, anche se non sufficiente per attivare reazioni nucleari. Sono come il pianeta Giove. Ma a differenza di Giove, che fa parte del nostro vicinato, le nane brune più vicine si trovano a diversi anni luce di distanza, il che le rende impossibili da rilevare visivamente. Pertanto, questa teoria solleva la possibilità che le nane brune spieghino l’esistenza della materia oscura.

Come ha scoperto la materia oscura?

Il primo a fornire prove e dedurre l’esistenza del fenomeno che è stato chiamato materia oscura fu l’astrofisico svizzero Fritz Zwicky, del California Institute of Technology, nel 1933 .

Ha applicato il teorema viriale all’ammasso di galassie di Coma e ha ottenuto prove per la massa non visibile. Zwicky ha stimato la massa totale dell’ammasso in base ai movimenti delle galassie vicino al suo bordo. Quando ha confrontato questa massa stimata con il numero stimato di galassie e con la luminosità totale dell’ammasso, ha scoperto che c’era circa 400 volte più massa del previsto.

La gravità delle galassie visibili nell’ammasso era troppo bassa per una tale velocità orbitale, quindi è necessario molto di più. Questo è noto come il problema della massa mancante.

Sulla base di queste conclusioni, Zwicky ha dedotto che dovrebbe esserci una qualche forma di materia non visibile che fornisca massa e gravità sufficienti per formare l’intero ammasso.

Gran parte delle prove dell’esistenza della materia oscura provengono dallo studio dei moti delle galassie.

Molti di questi sembrano essere abbastanza uniformi, quindi l’energia cinetica totale del teorema viriale dovrebbe essere la metà dell’energia gravitazionale totale delle galassie. Tuttavia, sperimentalmente è stato riscontrato che l’energia cinetica totale è molto più elevata: in particolare, supponendo che la massa gravitazionale sia dovuta solo alla materia visibile della galassia, le stelle lontane dal centro delle galassie hanno velocità molto superiori a quelle previste dal teorema viriale.

La curva di rotazione galattica che mostra la velocità di rotazione rispetto alla distanza dal centro della galassia, non può essere spiegato dalla sola materia visibile. La spiegazione più semplice è presumere che la materia visibile costituisca solo una piccola parte dell’ammasso.

Le galassie mostrano segni di essere composte principalmente da un alone di materia oscura concentrato al loro centro, con simmetria quasi sferica, con la materia visibile concentrata in un disco centrale. Le galassie a debole luminosità superficiale sono importanti fonti di informazione per lo studio della materia oscura, poiché hanno un basso rapporto tra materia visibile e materia oscura e hanno diverse stelle luminose al centro che facilitano l’osservazione della curva della luce rotazione della periferia stelle.

Secondo i risultati pubblicati nell’agosto 2006, la materia oscura è stata rilevata separatamente dalla materia ordinaria attraverso misurazioni del Bullet Cluster, in realtà due ammassi di galassie vicini che si sono scontrati circa 150 milioni di anni fa.

Vera Rubin ha scoperto la materia oscura

Quasi 40 anni dopo le osservazioni iniziali di Zwicky, Vera Rubin, un’astronoma del Dipartimento di magnetismo terrestre presso la Carnegie Institution di Washington, presentò scoperte basate su un nuovo spettrografo altamente sensibile in grado di misurare la curva di velocità delle galassie a spirale con un certo grado di accuratezza maggiore di qualsiasi altro prima.

In una riunione del 1975 dell’American Astronomical Society , insieme al collega Kent Ford, ha annunciato la sorprendente scoperta che molte stelle in orbite diverse di galassie a spirale ruotano quasi alla stessa velocità angolare, il che significa che le loro densità è molto uniforme indipendentemente dalla posizione di molte delle stelle.
Questo risultato suggerisce che o la gravità newtoniana non si applica universalmente o che, in modo prudente, più del 50% della massa delle galassie fosse contenuta nell’alone galattico relativamente scuro. Questa scoperta inizialmente suscitò scetticismo, ma Vera Rubin insistette sul fatto che le osservazioni fossero corrette.

Successivamente altri astronomi iniziarono ad avvalorare il suo lavoro ed è stato possibile determinare molto bene il fatto che molte galassie fossero dominate dalla materia oscura. Le eccezioni sembravano essere le galassie con rapporti massa-luce vicini a quelli delle stelle. Di conseguenza, numerose osservazioni hanno indicato la presenza di materia oscura in varie parti del cosmo. Insieme alle scoperte di Rubin per le galassie a spirale e al lavoro di Zwicky sugli ammassi di galassie, da decenni si stanno accumulando ulteriori prove relative alla materia oscura, al punto che oggi molti astrofisici ne accettano l’esistenza.