Massa(Materia) Oscura e Energia Oscura.

Anche se hanno nomi simili, l’energia oscura e la massa o materia oscura, sono due cose sostanzialmente diverse.
Vediamo le differenze.

Osservando la curva di rotazione delle galassie a spirale, ci si è resi conto che le stelle ai bordi del disco non seguono delle leggi di rotazione “kepleriane” come ci si attenderebbe se la maggior parte della massa delle galassie fosse concentrata nel “bulbo”; come conseguenza di ciò è evidente che, oltre alla massa “luminosa” concentrata nelle stelle, debba esserci una consistente quantità di materia attorno alle galassie, che non emette luce. Altrettanto, osservando gli ammassi di galassie, ci si è resi conto che molte galassie hanno velocità mutue così elevate che farebbero “disgregare” gli ammassi stessi in pochi miliardi di anni, cosa che è palesemente falsa, visto che gli ammassi sono tuttora esistenti. Ancora una volta la spiegazione è che esiste della “gravità aggiuntiva” negli ammassi, tale da tenere assieme le galassie. Questa gravità è rappresentata da materia che però non appare ai telescopi.
Questi e altri indizi hanno portato a formulare la teoria dell’esistenza di “materia oscura” nel cosmo, di cui si vedono gli effetti gravitazionali sugli oggetti luminosi, ma che non emette luce. Sulla natura di questa materia esistono svariate teorie, nessuna delle quali attualmente verificata: si potrebbe trattare di pianeti, buchi neri, stelle fredde e comunque agglomerati di materia ordinaria, in uno stato che non emette luce, oppure di particelle subatomiche dotate di massa e della cui esistenza non esistono prove certe al momento. Uno dei migliori candidati fino a qualche anno fa erano i neutrini, della cui esistenza si è certi da una cinquantina d’anni, che si sa permeano l’universo ma di cui non era nota la massa. I recenti esperimenti giapponesi al Super-Kamiokande hanno però appurato che i neutrini hanno massa troppo piccola per essere la spiegazione definitiva al problema della materia oscura.

Quello della “energia oscura” è un problema del tutto diverso, e “esploso” nel mondo scientifico da pochi anni, da quando, all’inizio del millennio, alcuni esperimenti scientifici di osservazione di supernovae lontane hanno appurato che l’universo è in espansione accelerata. È infatti noto fin dagli anni ’20 del 1900 che l’universo è in espansione (legge di Hubble), ma si era sempre pensato che questa espansione dovesse essere decelerata. Del resto il ragionamento appariva semplice: siccome su scale di distanza galattiche l’unica forza che agisce con intensità non trascurabile è la gravità e siccome il modello di Einstein della gravità prevede che essa sia solo attrattiva, essa si deve opporre all’espansione dell’universo, decelerandola.
Ora, le supernovae sono stelle che esplodono, e quelle di una particolare classe, detta Ia, seguono una curva di luce molto precisa, che ha un valore di luminosità nel punto di massimo che è quasi costante. Di conseguenza, osservando supernovae lontane si può stimarne la distanza sia in base alla legge di Hubble, che prevede il redshift delle righe spettrali in base alla velocità di allontanamento, sia in base all’attenuazione della luce dovuta alla distanza. Mettendo insieme questi parametri ci si è accorti che le supernovae lontane sono più lontane di quanto ci si aspetti, e dunque che l’universo si sta espandendo più rapidamente del dovuto. Sono state avanzate diverse ipotesi per spiegare il fenomeno (da errori sistematici sulle misure, al fatto che le suprenovae lontane possano seguire curve di luce leggermente differenti rispetto a quelle vicine, ecc…) ma l’ipotesi al momento data per più probabile è che vi sia una qualche forza repulsiva che agisce in tutto l’universo e che lo sta spingendo ad accelerare la sua espansione. Questa energia che dovrebbe avere un effetto anti-gravitazionale è di natura sconosciuta, anche se i teorici hanno già notato come una leggera modifica alle equazioni di Einstein (che peraltro egli stesso aveva già introdotto e poi rinnegato) potrebbe portare l’effetto repulsivo cercato. In ogni modo, resta del tutto un mistero su cosa provochi questo fenomeno, per cui si è coniato il termine “energia oscura”, non perché essa non emette luce (come nel caso della “materia oscura”), ma perché è ignoto di cosa si tratti.

Al mio amico Creedence.

La Materia Oscura
La materia oscura costituisce l’85% di tutta la MATERIA
nell’Universo, ma non si sa di cosa sia fatta!
“Determinare la natura della materia e dell’energia oscura
è ampiamente riconosciuto come uno dei problemi piùimportanti della Fisica e dell’Astronomia contemporanea”
Robert Caldwell, (2009)

 

 

Solamente il 4% del contenuto totale di ENERGIA
dell’Universo è visibile sottoforma di stelle e gas!

 

 

Contenuto attuale dell’Universo

Circa il 22% del contenuto totale di ENERGIA dell’Universo
è materia oscura. L’altro “settore oscuro” è l’energia oscura.

 

 

Già negli anni ’30 è stato notato che l’Ammasso Coma
(Dist. 320 Mln anni luce) sembrava contenere molta più massa
per via dinamica (160 volte) di quella che si poteva dedurre
dall’emissione luminosa delle galassie visibili (L ≈ M3.5).

 

 

Qualche anno dopo, le osservazioni delle curve di rotazione
delle galassie (M31, M33) hanno evidenziato che queste
ruotano molto più velocemente a grandi distanze radiali come
se la massa maggiore si trovasse nelle regioni più esterne.

 

 

Ogni elemento chimico ha la sua impronta caratteristica
Un gas riscaldato emette linee di emissione (chiare)
Lo stesso gas se interposto tra una sorgente luminosa
continua e l’osservatore produce linee di assorbimento (scure)
alla stessa lunghezza d’onda.

 

 

 

 

 

 

 

Deve esistere una grande quantità di massa oscura negli aloni
Rapporto 6:1 Massa oscura = massa non visibile su tutto
lo spettro e.m.

 

 

Materia oscura o nuove teorie della gravità? (Es. MOND-MOG)
Le osservazioni con le lenti gravitazionali di ammassi di galassie e i test sulla GR tendono a favorire l’ipotesi della
materia oscura gas

 

 

La luce proveniente da una galassia distante è distorta, piegata, da un campo intermedio creato da un vicino ammasso (Einstein 1911).

 

Di cosa è costituita la materia oscura?
1) Materia ordinaria (“barionica”) poco o non visibile?
2) Materia non-ordinaria (“esotica”)?
Materia barionica: MACHO RAMBO
Mini Buchi Neri
Materia esotica: WIMP
SUPER-WIMP
ASSIONI
Neutrini?

 

 

 

La materia oscura NON può essere di natura
barionica:
1) abbondanze non corrette per gli elementi
leggeri (H,D,He,Li)
2) non compatibile con diverse osservazioni
astrofisiche e cosmologiche (es. CMB di WMAP)

 

 

La radiazione cosmica di fondo è la radiazione fossile emessa al
tempo della ricombinazione quando il plasma ionizzato con
elettroni e protoni liberi nell’Universo primordiale si raffredda al
punto da permettere la formazione di idrogeno neutro. I fotoni
della CMB sono distribuiti in temperatura in modo quasi omogeneo
nel cielo, ma si trovano piccole fluttuazioni dell’ordine di 10-5 .
Quando è stata emessa la CMB la temperatura era di 3000 K e
l’età dell’Universo di 400 000 anni. Ora la temperatura è di circa
2.7 K (picco CMB: 1.87 mm, 160.4 Ghz).

 

La materia oscura è “fredda”, ovvero le particelle costituenti devono muoversi a bassa velocità (<0.1c)
rispetto alla velocità della luce c (Cold Dark Matter,
CDM) Questo fatto escluderebbe i neutrini!

 

 

Come si definisce la materia esotica? NON-barionica
Modello Standard delle particelle elementari

 

 

Le forze fondamentali della natura
La forza forte è molto intensa, ma a corto raggio (10-13
cm) ed è responsabile di tenere uniti i nuclei degli atomi. E’
principalmente attrattiva, ma in alcuni casi può diventare
repulsiva.
La forza elettromagnetica è la responsabile della
interazione tra cariche elettriche o l’interazione tra magneti:
il comportamento chimico degli atomi e delle molecole
Le forze fondamentali della natura
regola molecole.
E’ a lungo raggio, ma 100 volte più debole della forza forte.
La forza debole è la responsabile del decadimento
radioattivo dei nuclei e delle interazioni dei neutrini. E’ a
corto raggio (10-16 cm) e molto debole. Materia oscura?
La forza gravitazionale è debole ma a lungo raggio. E’
sempre attrattiva e agisce tra tutta la materia nell’Universo
poichè la sua sorgente è la massa.

 

 

 

 

Forza nucleare debole: decadimento radioattivo e neutrini:

 

 

Candidati NON barionici possibili per la materia
oscura
1) WIMP (Weakly Interacting Massive Particle)
Dalla Supersimmetria deriva il prototipo ideale di
WIMP

 

 

Perchè il Neutralino è il candidato ideale della CDM?
Nel modello WIMP le particelle nell’Universo primordiale
erano in equilibrio termico e chimico con tutte le altre
particelle standard. Con l’espansione dell’Universo,
l’energia non era più sufficiente a crearne di nuove e la
densità era bassa al punto da non permettere più la loro
annichilazione (10 ns). A questo punto la densità delle
WIMP si è congelata fino a oggi:

 

 

Altri candidati NON barionici possibili per la materia
oscura
2) SUPER-WIMP
Le WIMP posono essere particelle instabili che decadono
in particelle massive interagenti solo gravitazionalmente
(es. gravitino: partner supersimmetrico del gravitone)

 

 

Altri candidati NON barionici possibili per la materia
oscura
3) ASSIONI
Particelle proposte nel 1977 (R. Peccei e H. Quinn)
per risolvere il problema della violazione della
simmetria CP forte in cromodinamica quantistica.
Spiega l’assenza del momento di dipolo elettrico del
neutrone (misura della separazione delle cariche).

 

 

Riassumiamo i principali candidati NON barionici
possibili per la materia oscura

 

 

 

 

Come trovare evidenze sperimentali
dei possibili candidati della materia
oscura?
1) PROVE INDIRETTE
Ricerca dei prodotti di annichilazione o decadimento
delle particelle CDM, come fotoni, antimateria e
neutrini di opportuna energia.
Sorgenti astrofisiche: centro degli aloni galattici e
galassie nane. I prodotti hanno energie di 1/10 della
massa delle particelle CDM (1 GeV – 10 TeV).
Limiti: troppi gradi di libertà permettono di aggiustare
i dati per ottenere la CDM voluta!
Le osservazioni astrofisiche dei prossimi 5-10 anni
saranno utili principalmente per determinare la
DISTRIBUZIONE della CDM.

 

 

Come trovare evidenze sperimentali
dei possibili candidati della materia
oscura?
2) PROVE DIRETTE
Ricerca dell’energia (piccola) depositata nei nuclei di
un materiale rivelatore “target” dovuta ad un evento
di interazione con una particella CDM (esperimenti
condotti in laboratori sotterranei)
Questi esperimenti hanno l’obiettivo di determinare la
NATURA della CDM.
Il progresso fatto negli ultimi 20 anni è stato
spettacolare: sensibilità > 3 ordini di grandezza.
Ma ancora nessuna evidenza significativa di CDM.
Serve una frequenza di eventi almeno 5 σ oltre il
fondo!

 

 

 

 

Come trovare evidenze sperimentali
dei possibili candidati della materia
oscura?
3) Acceleratori di particelle
Large Hadron Collider (LHC Cern – Ginevra)
Energie: 7-14 TeV sufficienti per poter creare e
individuare alcuni candidati CDM.
Entro 5-10 anni si devono trovare evidenze di candidati
CDM. Serviranno anche conferme indipendenti da altri
rivelatori (tempo di osservazione:<1μs).
Alternative: gravitini o gravità modificata (es. MOG)!
Problemi: conciliare le altre osservazioni cosmologiche.
Rimaniamo in attesa della scoperta!
http://www.sciencedaily.com /news/space_time/dark_m atter/

 

 

Quale è il ruolo dinamico della materia oscura?
Costituisce l’impalcatura, la rete di connessione e di
aggregazione di tutta la materia ordinaria

 

 

Simulazione Millenium: N-corpi con: N=10 miliardi
25 Tera Bytes, 1 mese di calcolo (Aprile, 2005).
Max Planck Society’s Supercomputing Centre in Garching, Germany

 

 

Aggiornamento al 14 Aprile 2011
XENON 100 (LNGS):
L’esperimento in funzione ai Laboratori del Gran Sasso
dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
conferma con i suoi nuovi risultati (3 eventi candidati in
100 giorni) di essere l’apparato piu’ sensibile al mondo
nella ricerca delle WIMP.

 

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