Il mistero dei barioni mancanti

L’ammasso di galassie nella Chioma di Berenice (Abell 1656) – Credit: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA). Acknowledgment: D. Carter (Liverpool John Moores University) and the Coma HST ACS Treasury Team.

Nel 1933 l’astrofisico svizzero Fritz Zwicky, del California Institute of Technology, applicò un metodo di indagine chiamato teorema del viriale all’ammasso di galassie della  Chioma e ottenne le prime prove dell’esistenza di una importante discrepanza tra la materia visibile e la massa misurata dell’ammasso.
Zwicky stimò che la massa totale dell’ammasso basata sui moti delle galassie vicino al suo bordo rispetto ad una stima in base al numero delle galassie totale dell’insieme era circa 400 volte più alta.
La gravità stimata delle galassie visibili nel ammasso sarebbe stata troppo piccola per giustificare la velocità di queste e quando ulteriori osservazioni confermarono in seguito i risultati di Zwicky, per i cosmologi si pose seriamente il “problema della massa mancante”.
Infatti a questo punto se si voleva mantenere intatto Il concetto dell’inverso del quadrato della distanza ( 1/R2 dove R è la distanza) che è la base della teoria della gravitazione, nasceva un bel problema scientifico: come giustificare questa differenza? Cos’è questa materia che ha una importante influenza gravitazionale ma che è di fatto invisibile alle analisi ottiche/elettromagnetiche?

La galassia UGC 7321, un ottimo esempio di galassia cxircondata da un alone di materia oscura. Rielaborazione immagine:  Il Poliedrico

La galassia UGC 7321, un ottimo esempio di galassia circondata da un alone di materia invisibile.
Rielaborazione immagine:
Il Poliedrico

Il Modello Cosmologico Standard suggerisce che tutto l’Universo è composto per il 4,9% da materia barionica – neutroni, protoni, elettroni (anche se questi non sono proprio barioni) – ordinaria, il 26,8% da una forma di materia totalmente sconosciuta che però produce effetti gravitazionali e per il 68,3% da energia oscura l2 l3.
Ma se spiegare quel 26,8% di materia oscura è già un grosso problema, figuriamoci spiegare che almeno la metà della massa barionica richiesta dal Modello Cosmologico Standard non si trova!
Certo questo è un bel rompicapo nel rompicapo, è come dover comporre un puzzle con tessere che sono a loro volta altri puzzle da comporre.

Oggetti di natura barionica fredda che non emettono luce possono essere  pianeti, nane brune o anche dei semplici granelli di polvere, ma mentre una nube interstellare copre vaste regioni di spazio, un corpo massiccio di dimensioni megametriche 1 intercetterà di certo meno luce di una nube grande svariati anni luce. Obbiettivamente però è difficile che una massa significativamente importante 2 sia dispersa in miliardi di corpi massicci troppo piccoli per emettere o assorbire luce in maniera apprezzabile.
Questi oggetti massicci sono chiamati MACHO (MAssive Compact Halo Object) ma secondo le stime migliori possono rappresentare appena il 20% della massa totale di una galassia 3, certo rappresentano una parte importante della massa di una galassia, ma comunque sono sempre un po’ troppo pochi per giustificare la parte non rilevata di massa barionica.

Questa è una simulazione computerizzata dell'aspetto di circa 2 miliardi di anni di spazio che mette in evidenza lo WHIM. Credit: Matthew Hall, NCSA.

Questa è una simulazione computerizzata dell’aspetto di circa 2 miliardi di anni di spazio che mette in evidenza lo WHIM.
Credit: Matthew Hall, NCSA.

Alcuni studi recenti inoltre mostrano che le singole galassie sono al centro di gigantesche bolle di gas ionizzato 4 di massa paragonabile alla galassia ospite. Data la rarefazione estrema, questo gas è ionizzato a temperature comprese tra i centomila e un milione di kelvin, quindi è quasi impossibile da vedere, visto che a quelle temperature le righe spettrali degli atomi dominano nei Raggi X.
Probabilmente la sua origine è legata ai venti stellari  della galassia  e modellato almeno in parte dal campo magnetico globale di questa.
Questo è lo WHIM (Warm-Hot Intergalactic Medium), ovvero mezzo intergalattico caldo, di cui le bolle galattiche sono solo una parte, che si estende tra le galassie dando all’Universo l’aspetto di  ragnatela tridimensionale.

Forse è presto per dirlo, ma con i MACHO e lo WHIM almeno la tessera del puzzle che rappresenta la massa barionica mancante pare sia ricomposta e che in fondo questa sia stata ritrovata.
Adesso resta che capire cosa sia l’altro 84,5% della massa dell’Universo che chiamiamo Materia Oscura e che ancora sfugge alla nostra comprensione.
Sotto a chi tocca.


Note:

  1. Un megametro è un milione di metri (1 Mm).
  2. Ad esempio, solo lo 0,2% dell’intera massa del Sistema Solare è ridistribuito nei corpi minori. La quasi totalità della massa è rappresentata dal Sole.
  3. The MACHO Project: Microlensing Results from 5.7 Years of LMC Observations, Astrophys.J. 542 (2000) 281-307.
  4. A huge reservoir of ionized gas around the Milky Way: Accounting for the Missing Mass? ArXiv 16 agosto 2012.
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Umberto Genovese

Autodidatta in tutto - o quasi, e curioso di tutto - o quasi. L'astronomia è una delle sue più grandi passioni. Purtroppo una malattia invalidante che lo ha colpito da adulto limita i suoi propositi ma non frena il suo spirito e la sua curiosità. Ha creato il Blog Il Poliedrico nel 2010 e successivamente il Progetto Drake (un polo di aggregazione di informazioni, articoli e link sulla celebre equazione di Frank Drake e proposto al l 4° Congresso IAA (International Academy of Astronautics) “Cercando tracce di vita nell’Universo” (2012, San Marino)) e collabora saltuariamente con varie riviste di astronomia. Definisce sé stesso "Cercatore".

4 commenti:

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  2. Grazie all'autore del post, hai detto delle cose davvero giuste. Spero di vedere presto altri post del genere, intanto mi salvo il blog trai preferiti.

  3. Riassumendo, la maggiorparte della massa barionica si ritrova come gas caldo attorno ai gruppi ed ammassi di galassie (probabilmente in alcune di queste strutture quasi tutto il gas è visibile) e come gas ionizzato diffuso, per il quale solo la piccola frazione neutra è visibile in assorbimento negli spettri dei quasar. Più del 90% di tutta la materia rimane comunque “oscura”. L’unico modo di vedere la materia oscura è attraverso la gravità, sfruttando la presenza di oggetti luminosi che con il loro moto tracciano il potenziale gravitazionale (curve di rotazione delle spirali, dispersione di velocità delle ellittiche o degli ammassi, emissione X del gas caldo, moti “peculiari” di caduta delle galassie sulle grandi concentrazioni di materia). Il metodo più promettente per tracciare la distribuzione della materia oscura è quello, a cui si è già accennato, delle lenti gravitazionali.

    • Proprio così. La natura della materia non barionica che chiamiamo \”oscura\” è ancora oggi oggetto di dibattito. Alcuni modelli fanno riferimento alla massa dei neutrini che il Modello Standard non prevede ma che osservazioni sperimentali invece hanno mostrato (oscillazione del sapore del neutrino, decadimento Doppio Beta, fenomeni spiegabili attribuendo al neutrino una massa spiegabile col teorema della Massa di Majorana), Altre ipotesi prevedono il superamento del Modello Standard per creare una nuova classe di particelle superpesanti (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) che interagiscono – proprio come il neutrino – solo con la gravità e l\’interazione debole. Alcuni segnali intercettati dall\’esperimento AMS-02 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale puntano proprio in questa direzione.
      Comunque sia, la spiegazione della \”Materia Oscura\” prevede il superamento dell\’attuale Modello Standard come la Relatività Generale ha segnato il superamento della Meccanica di Newton.

      Grazie per il tuo intervento 🙂
      Umby

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