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La materia oscura

La materia oscura è stata ipotizzata per la prima volta da Fritz Zwicky, un astronomo svizzero famoso per i suoi modi di fare stravaganti che ne propose l’esistenza -venendo così screditato dalla comunità scientifica e paragonato ad un pazzo- prima ancora che Vera Rubin riscontrasse, in collaborazione con Kent Ford, i suoi stessi risultati quando provò a misurare la massa di alcune galassie applicando una semplice equazione [1] scoperta da Newton che permette di calcolare la massa di un corpo sapendo la velocità di un altro che gli orbiti attorno ad una data distanza:

[1]

Dove:
v= velocità di un oggetto intorno ad un altro maggiore di massa
G= costante di gravitazione universale di Newton
M= massa del corpo maggiore
r= distanza tra i due corpi

Quindi, secondo questa elegante equazione, sarebbe bastato conoscere soltanto la velocità di una stella in una galassia e la sua distanza dal nucleo per poter calcolare la massa della stessa e così fecero ma si accorsero inoltre di un fatto a dir poco sorprendente.

Questa equazione implica che, all’aumentare della distanza r, la velocità orbitale diminuisca in modo proporzionale, ma questo non fu il risultato che Rubin e Ford ottennero. Essi scoprirono infatti che la velocità rimaneva, dopo un certo valore di r, quasi costante o comunque diminuiva di poco. La spiegazione più semplice, che è anche quella più rivoluzionaria, suppone che esista una materia invisibile, la materia oscura, che si estenda molto oltre i confini di una galassia e che contiene molta più massa della prima compensando così l’aumento di r.

L'energia oscura

Einstein modificò la forma originale delle sue equazioni della relatività generale rendendole adatte ad un universo statico aggiungendo la “costante cosmologica” -indicata con “Λ”- ma si pentì di tale modifica dopo che si scoprì che l’Universo non solo era in espansione ma che questa fosse anche molto accelerata. Infatti la distanza tra le galassie sta aumentando sempre più celermente, persino più della luce.

Ora sorgono due quesiti principali: Come è possibile che le galassie si allontanino più velocemente della luce? Da cosa è causata questa espansione accelerata?

La prima la risposta è tanto semplice quanto complessa: non sono le galassie in sé a spostarsi ma è l’intero tessuto dello spaziotempo ad allargarsi ed espandersi. Visualizzarlo è semplice: basta immaginare le galassie come puntini di colore su un palloncino e, quando questo viene gonfiato, i puntini si allontanano l’uno dall’altro. La seconda richiede invece un po’ più di fantasia. Per poter spiegare questo fenomeno si deve prendere in considerazione un altro tipo di energia: l’energia oscura. Essa possiede pressione negativa ovvero esercita una forza repulsiva su tutto ciò che le sta intorno e potrebbe spiegare il perché della rapida espansione dell’universo.

Ma la cosa sorprendente è che Einstein non aveva del tutto sbagliato: infatti l’aggiunta della invisa costante cosmologica non era un errore ma era persino capace di spiegare il perché l’universo si espande in maniera accelerata. Ora per Λ si preferisce usare il termine energia oscura.

Grafico a torta della stima della disposizione della materia oscura
e l'energia oscura rispetto alla materia ordinaria nell'universo

Il fluido oscuro

Jamie Farnes ha proposto, il dicembre del 2018, una nuova teoria secondo la quale la materia oscura e l’energia oscura siano due sfaccettature dello stesso fluido che prende il nome di “fluido oscuro”.

Questa teoria unifica le due precedenti ipotizzando che la materia oscura e l’energia oscura siano un fluido unico possedente massa negativa. Ad una scala galattica esso apparirebbe come avente le proprietà della materia oscura mentre ad una scala maggiore possederebbe le proprietà di Λ. La teoria del fluido oscuro ipotizza che il fluido oscuro sia un tipo specifico di fluido che possegga comportamenti attrattivi o repulsivi a seconda della densità di energia locale.

L’idea che sta alla base della teoria è quella che quando il fluido oscuro si trova in presenza di massa, questo si addensi intorno ad essa; ciò attrae poi una maggiore quantità di fluido oscuro che si addensa a sua volta, quindi amplificando l’attrazione gravitazionale locale.

L’effetto è sempre presente, ma diventa visibile effettivamente solo in presenza di una massa molto grande come, ad esempio, una galassia.

Questa descrizione è simile alle teorie della materia oscura e un caso speciale delle equazioni del fluido oscuro riproduce la materia oscura. Dall’altra parte, nei posti dove esiste una massa relativamente piccola, come nei vuoti tra i superammassi di galassie o i supervuoti, questa teoria predice che il fluido oscuro rilasci e acquisisca una pressione negativa. Comportandosi quindi come l’energia oscura.

Purtroppo noi non sappiamo ancora da che cosa sia composto il fluido oscuro -infatti non conosciamo la composizione della materia oscura e dell’energia oscura- ma sappiamo che sicuramente non si tratta di materia ordinaria, ossia quella che vediamo e percepiamo. Si calcola che il fluido oscuro sia presente al 95% nel nostro Universo mentre la materia ordinaria appena al 5%. Ciò avvalora il pensiero di Newton:

”Ciò che conosciamo è una goccia d’acqua, ciò che ignoriamo è l’oceano”

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