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25 - 29 giugno 2001
Convegno
DOVE È LA MATERIA?
Nella settimana dal 25 al 29 giugno 2001 si è svolto a Marsiglia un convegno internazionale riunente duecento partecipanti, di cui centoquaranta relatori, il cui tema era "Dove è la materia?". Vi era inoltre un sottotitolo:
Tracciamento della materia luminosa e della materia oscura attraverso le nuove generazioni di rilevamenti su larga scala
Traduzione:
Cartografia della materia luminosa e della materia oscura
utilizzando i nuovi strumenti di osservazione su larga scala.
Queste parole rivestono un'importanza fondamentale. Collocano immediatamente il convegno all'interno di un paradigma. Si presuppone così che l'universo sia unico e possieda due componenti: una accessibile ai nostri mezzi di osservazione (nella gamma del visibile, dell'ultravioletto, dell'infrarosso, insomma dove si effettuano osservazioni basate su onde elettromagnetiche) e l'altra, al momento, sfuggente a questo tipo di indagine, descritta con il termine generico di "materia oscura", in inglese "Dark Matter". Come effettuare osservazioni, come cartografare questa materia oscura? Da un lato basandosi sugli effetti di lente gravitazionale, che in generale si sono rivelati troppo intensi per essere spiegati dalla sola presenza di materia visibile, sia essa galassie o ammassi di galassie; dall'altro partendo dai parametri cinetici degli oggetti osservati.
Prima ancora che si evidenziassero questi effetti di lente gravitazionale "anormalmente intensi", persone come Fritz Zwicky, basandosi sull'analisi delle curve di rotazione delle galassie o sulla misura delle velocità di agitazione delle galassie negli ammassi, avevano dedotto che la materia osservata otticamente non poteva garantire la coesione di questi insiemi. Per curve di rotazione si intende la misura effettuata sul gas interstellare, in orbita nel campo gravitazionale generale, effettuata tramite l'effetto Doppler-Fizeau. Questo gas, ovviamente, ruotava troppo velocemente, specialmente alla periferia (presenza di un "piatto" caratteristico). Gli ammassi di galassie vengono assimilati a "grumi di gas" in cui le galassie sarebbero le "molecole". Le "velocità proprie" delle galassie, così chiamate dagli astronomi, diventano l'equivalente delle velocità di agitazione termica delle molecole di un gas, distribuite in modo casuale in tutte le direzioni. Mantenendo questa analogia con il gas, la combinazione tra velocità di agitazione termica e densità dà ciò che si chiama pressione (misura della densità di energia cinetica di agitazione, per unità di volume). Una nube di gas interstellare non si disperde perché la forza gravitazionale equilibra le forze di pressione che tendono a disperderla. Se si assimila un ammasso di mille galassie a una sorta di grumo di gas, si può dire che le forze di pressione che tendono a disperderlo, calcolate sulla base delle misure delle velocità di agitazione delle galassie e della massa rilevata, sono troppo elevate per essere bilanciate dalla forza gravitazionale. Ragionando in modo inverso, conoscendo la massa dell'ammasso si può calcolare una velocità di fuga. Come osservava Zwicky, le velocità individuali delle galassie superano la velocità di fuga dell'ammasso a cui appartengono. Se non agisse una forza aggiuntiva, queste galassie avrebbero dovuto abbandonare l'ammasso da molto tempo. Lo stesso vale per le stelle delle galassie. Il problema è quindi del tutto reale. La questione risiede nell'interpretazione che si dà a questo fenomeno.
La risposta unanime degli astronomi ha attualmente un nome: "materia oscura", anche se nessuno è riuscito a indicare quale potrebbe essere la natura di questa "dark matter". Tuttavia, nessuno ha messo in dubbio per un solo istante il fatto che gli effetti osservati possano derivare da qualcos'altro che non sia la presenza di un componente al momento non osservato, dotato di massa positiva, quietamente presente nel nostro (unico) universo. In questo contesto, i lavori di "cartografia dell'invisibile" sono già iniziati. Inizialmente ci si è limitati a dire "in tale ammasso di galassie deve esistere una certa massa M perché l'ammasso non esploda, oppure, equivalentemente, per spiegare gli intensi effetti di lente gravitazionale che genera (immagini multiple, galassie situate sullo sfondo deformate, deformazione che può arrivare al loro allungamento in forma di archi)". In seguito, gli astrofisici, come Albert Bosma, del laboratorio di Astrofisica di Marsiglia a cui appartengo, hanno aggiunto empiricamente "alone" di materia oscura, di natura non specificata, al fine di "adattare le curve di rotazione", termine inglese che indica l'azione di ottenere con questo metodo empirico le leggi di velocità corrispondenti ai valori derivati dalle osservazioni. Un certo numero di persone si occupa ora a tempo pieno del calcolo della distribuzione della materia in questi "alone" di materia oscura invisibili. Questo è ciò che si chiama "teorie all'ordine zero". Questa attività, che non richiede alcuna competenza particolare, è puramente tecnica. Le persone che vi si dedicano non cercano affatto di fornire indicazioni sulla natura di questa "materia oscura" che cartografano empiricamente, e a maggior ragione sui processi che hanno generato la sua presenza nelle galassie. Non conoscendo né la natura né l'origine di questo componente, è a maggior ragione escluso costruire una "dinamica galattica". Al convegno in questione ho ascoltato una americana fare il punto sui modelli in cui si cerca di descrivere la formazione delle galassie (a partire da materia oscura fredda, in inglese "cold dark matter" o "CDM"). Tutti questi modelli si basano ovviamente solo sulla legge di Newton (più un enorme computer che elabora tutto ciò). Rimangono poco convincenti nel senso che, qualunque siano i dati iniziali introdotti, le "proto-galassie" formate possiedono momenti angolari troppo deboli. Così, una delle domande sollevate da questi "nuovi teorici" (legge di Newton più grande computer) era: "Da dove proviene il momento angolare delle galassie?" Siamo ben al livello delle "teorie all'ordine zero", sia per quanto riguarda le cartografie che per le tentativi di simulazione.
Dal 1999, astrofisici come Yannick Mellier e Fort, seguiti da una mezza dozzina di team in diversi punti del mondo, hanno prodotto i risultati di sei anni di lavoro, corrispondenti a un ampio programma. Se la materia oscura fosse presente nell'universo, in particolare negli ammassi di galassie, essa produrrebbe effetti di lente gravitazionale. All'estremo, ciò produce immagini quasi kalescopiche, come il telescopio Hubble ci ha mostrato, dove gli oggetti situati sullo sfondo di un ammasso esplodono in un insieme di immagini multiple, producendo eventualmente uno o più archi gravitazionali. Si comprende allora che quando le presunte concentrazioni di materia oscura sono meno intense, esse inducono semplici distorsioni nelle immagini delle galassie, conferendo alla loro immagine un'ellitticità aggiuntiva, semplicemente per effetto ottico, che si sovrappone alla loro ellitticità reale. Mellier, Fort e coloro che li hanno seguiti successivamente hanno messo a punto un metodo di elaborazione delle immagini in cui il computer rileva le anisotropie locali delle immagini (partendo dall'ipotesi che in assenza di effetto di lente gravitazionale gli assi principali delle immagini ellittiche delle galassie dovrebbero essere distribuiti casualmente...