Modello della materia oscura

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Il "modello" della materia oscura (dark matter).

...Come visto in precedenza, la lista impressionante di problemi legati, anche solo all'astrofisica, è notevole. Ad esempio, le galassie ruotano troppo velocemente. La massa osservata è da 3 a 5 volte troppo bassa per bilanciare la forza centrifuga. La situazione è ancora peggiore per i ammassi di galassie. Un problema già vecchio, poiché era stato segnalato per la prima volta da Fritz Zwicky decine di anni fa.

...Come uscirne? Bisogna rivedere la legge di Newton? Alcuni hanno semplicemente suggerito che galassie, ammassi di galassie e persino l'universo intero potrebbero ospitare una massa (che contribuisce al campo gravitazionale) finora sfuggita all'osservazione. Di cosa si trattava? Ad esempio, stelle troppo deboli nell'emissione. A questi oggetti fu dato un nome: MACHO (massive compact halo objects, cioè oggetti compatti e massicci localizzati nel alone delle galassie: la porzione di spazio galattico situata all'interno e all'esterno del "disco"). Metodo di rilevamento: occultazione di sorgenti poste sullo sfondo, principalmente stelle. Metodo: seguire un numero molto elevato di stelle e individuare cali di luminosità, il cui andamento temporale differirebbe dalle fluttuazioni dovute alle stelle variabili.

Risultati: deludenti.

...Altra ipotesi: particelle esotiche, ad esempio neutrini massivi (dotati di una massa molto piccola). Ma finora non si è riusciti a rilevare una possibile massa dei neutrini.

...Altro candidato, caro all'astrofisica Françoise Combes: idrogeno freddo, a temperatura estremamente bassa, quindi praticamente invisibile.

...Questa materia oscura permetterebbe allora di spiegare gli intensi effetti di lente gravitazionale, apparentemente legati alle galassie e agli ammassi di galassie (archi gravitazionali). Molti considerano questi effetti come una "prova irrefutabile" dell'esistenza di questa materia non rilevata.

...È quindi possibile spiegare qualsiasi cosa e qualsiasi altro fenomeno, basta spolverare opportunamente l'universo con materia oscura nei punti giusti. Si tratta quindi di una teoria perfettamente ad hoc. Alcuni non si preoccupano neppure di giustificare l'origine di questo componente, la sua natura, la sua origine, né tantomeno di descrivere la sua dinamica, accontentandosi di dire che si tratta di una nuova astronomia, "dove si mappa ora l'invisibile". Alcune squadre lavorano a mappare la distribuzione della materia oscura.

...Questa materia permette di rendere coerente la struttura su larga scala dell'universo, e così di "giustificarla". In altri casi si produce una distribuzione di materia oscura che non solo spiega la coesione delle galassie, ma anche l'andamento delle loro curve di rotazione. Tutto ciò viene pubblicato abbondantemente e senza problemi (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, ecc.). Si distingue la "materia oscura fredda" e la "materia oscura calda".

Alcune speculazioni sembrano quindi "lecite".

La questione della costante cosmologica e dell'età dell'universo.

Innanzitutto, situiamo la sua origine. Dotato della sua equazione di campo:

**S = **c T

...Einstein cercò immediatamente di costruire un modello di universo (1917). Ma poiché ignorava che fosse non stazionario, cercò di costruire un modello stazionario. Si scontrò allora con numerosi problemi e andò a trovare il matematico francese Elie Cartan, il quale gli disse:

• Si può modificare la tua equazione. Ti propongo:

**S = **c T - Lg ** **

dove **g **è il tensore metrico e **L una costante. Così l'equazione rimane ben tensoriale e la tua soluzione rimane sempre invariante rispetto ai cambiamenti di coordinate.

• Ma qual è il significato fisico di questa costante L?

• Questo, caro mio, è il tuo problema. Io sono un matematico...

A partire da un'equazione di campo, assumendo che la curvatura sia debole e che le velocità di agitazione termica siano piccole rispetto alla velocità della luce c, si può ricondurre la dinamica newtoniana. La forza di Newton si trova così dotata di un termine correttivo:

...Questo termine correttivo era proporzionale alla distanza. L'espressione "potere repulsivo del vuoto" è comunemente usata (o attrattivo, a seconda del segno scelto per questa costante arbitraria L).

...Questo potere repulsivo del vuoto era la chiave che permetteva all'universo stazionario di Einstein di raggiungere un equilibrio (instabile, comunque). Ma molto presto:

• La scoperta di Edwin Hubble evidenziò uno spostamento verso il rosso z, assimilato a un movimento generale di espansione cosmica (effetto Doppler). Addio al modello di universo stazionario.

• Nello stesso periodo, il russo Friedmann trovò le soluzioni non stazionarie dell'equazione di campo, senza costante cosmologica.

Insoddisfatto, Einstein si ritirò sotto la sua tenda dicendo:

• Se avessi saputo che l'universo era non stazionario, avrei trovato prima di Friedmann!

...Da allora, la costante cosmologica cadde in un quasi oblio per decenni. Alcuni avanzarono argomenti a favore della sua necessaria nullità. Il fatto è che, riferendosi a interazioni a distanza molto grande, essa non manifestava la sua azione che in modo tardivo, quando la dimensione caratteristica R(t) dell'universo aveva raggiunto "un valore sufficiente".

...Le misurazioni dello spostamento verso il rosso, della velocità radiale delle galassie, permettono di calibrare la legge di Hubble, che discende dalla soluzione dell'equazione di campo e afferma semplicemente:

La velocità di allontanamento è proporzionale allo spostamento verso il rosso z

La costante di proporzionalità si chiama costante di Hubble Ho.

...Una parentesi per chi non lo sapesse. Un atomo, in laboratorio, fermo rispetto all'apparato di misura, emette ad esempio un radiazione corrispondente a una lunghezza d'onda l. A causa dell'effetto Doppler, lo stesso atomo in movimento darà una lunghezza d'onda: l' = l+ D l

Si definisce:

| Dl |
|---|
| l |

Se D l è positivo: la sorgente si allontana: spostamento verso il rosso.

Se D l è negativo, la sorgente si avvicina: "spostamento verso il blu".

La costante di Hubble compare anche nella legge di espansione R(t) in funzione del tempo:

...Si sa che in realtà esistono tre modelli di Friedmann, che differiscono solo nella descrizione del futuro lontano del cosmo.

Nello schema seguente, dove si è supposti "abbastanza lontani" da quel futuro lontano, le tre curve coincidono.

...Quindi, conoscere la legge di espansione cosmica, la costante di Hubble, permette immediatamente, secondo questo modello (con costante cosmologica nulla), di dedurre l'età dell'universo.

...Immaginiamo di fare una fotografia istantanea dell'esplosione di una granata. Il tempo di posa darebbe un certo sfocatura agli oggetti, permettendo di valutare la loro velocità, quindi di calcolare, esaminando una semplice foto, il momento in cui l'esplosione è iniziata. L'esplosione cosmica è ovviamente diversa dall'esplosione di una granata, per la sua dinamica, poiché la forza di gravità, frenando l'espansione, la rallenta progressivamente.

...Gli oggetti del cosmo sono animati da movimenti propri, alla maniera delle molecole di un gas, che sono animate da un moto di agitazione termica. Si parla quindi di "fluido cosmologico", un "gas" le cui molecole sarebbero le galassie.

...Per poter valutare la costante di Hubble era quindi necessario basare le misurazioni su oggetti sufficientemente lontani, quindi animati da velocità sufficientemente elevate da superare il valore medio della velocità di agitazione...