f120

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

...Si è
visto più sopra l'impressionante elenco di problemi legati, non
foss'altro che all'astrofisica. Le galassie ruotano troppo velocemente, per
esempio. La massa censita è da 3 a 5 volte troppo debole per controbilanciare
la forza centrifuga. Situazione ancora peggiore per gli ammassi di galassie. Un problema
già antico, poiché era stato segnalato
inizialmente da Fritz Zwicky, decine di anni fa.

...Come
venirne fuori? Bisogna rivedere la legge di Newton? Alcuni hanno semplicemente
suggerito che le galassie, gli ammassi di galassie e persino
l'universo intero, possano ospitare nel loro seno una massa (che contribuisce
al campo di gravità) che finora sarebbe sfuggita all'
osservazione. Di che cosa poteva trattarsi? Per esempio di stelle troppo
poco emissive. Si trovò un nome per questi oggetti: i MACHOS (massive
compact halo objects, cioè oggetti compatti e massivi, localizzati
nell'alone delle galassie: la porzione dello spazio galattico situata
dentro e fuori dal "disco"). Modo di rilevamento: occultazione di
sorgenti situate sullo sfondo, essenzialmente stelle.
Metodo: effettuare un monitoraggio di un grandissimo numero di stelle
e mettere in evidenza delle diminuzioni di luminosità, la cui evoluzione
nel tempo differirebbe dalle fluttuazioni corrispondenti alle stelle
variabili.

Risultati: deludenti.

...Altra
ipotesi: le "particelle esotiche", per esempio neutrini massivi
(dotati di una debole massa). Ma nessuna evidenza fino a
oggi di un'eventuale massa dei neutrini.

....Altro
candidato, caro all'astrofisica Françoise Combes: dell'idrogeno
freddo, a bassissima temperatura, quindi praticamente inosservabile.

...Questa
materia oscura permetterebbe allora di rendere conto dei forti effetti
di lente gravitazionale, apparentemente legati alle galassie e agli
ammassi di galassie (archi gravitazionali). Molti considerano questi effetti
come una "prova inconfutabile" dell'esistenza di questa materia
non rilevata.

...È allora
possibile rendere conto di qualsiasi cosa e di ogni altra cosa
spolverando abilmente l'universo di materia oscura, nei posti giusti.
Si tratta quindi di una teoria perfettamente ad hoc. Alcuni, d'altronde,
non si preoccupano nemmeno di giustificare l'origine di questa componente, la sua natura,
la sua origine, né tantomeno di descriverne la dinamica, accontentandosi
di dire che si tratta di una nuova astronomia, "dove si cartografa
ormai l'invisibile". Delle squadre sono all'opera, che
hanno intrapreso la stesura di mappe della distribuzione di materia oscura.

...Questa
permette di legare la struttura su larga scala dell'universo,
e così di "giustificarla". Altrove si produce una distribuzione di materia
oscura che permette non solo di giustificare la coesione delle galassie,
ma l'andamento delle loro curve di rotazione. Tutto ciò si pubblica abbondantemente
e senza problemi (astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics,
ecc...). Vi 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.

Situiamone prima l'origine.
Fornito della sua equazione di campo:

S = c T

...Einstein
aveva subito cercato di costruire un modello di universo

(1917). Ma poiché ignorava che questo era instazionario, aveva
quindi cercato di costruire un modello stazionario.
Si imbatté allora in numerosi problemi e andò a far visita
al matematico francese Elie Cartan, il quale gli dichiarò:

• Si può modificare la vostra equazione. Vi propongo:

S = c T -Lg

dove g è tensore metrico
e L una costante. Così l'equazione
resta ben tensoriale e la vostra soluzione sempre invariante per cambiamento
di coordinate.

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

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

A partire da un'equazione di campo, ponendosi nell'ipotesi
in cui la curvatura è debole e le velocità di agitazione termica sono deboli
rispetto alla velocità della luce c, si può ritrovare la dinamica newtoniana.
La forza di Newton si trova allora dotata di un termine correttivo:

...Questo
termine correttivo era così proporzionale alla distanza. L'appellativo
"potere repulsivo del vuoto" è correntemente utilizzato (o attrattivo,
tutto dipende dal segno scelto per questa costante arbitraria L).

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

• La scoperta
  di Edwin Hubble diede conto di un red shift z, assimilato a
  un movimento generale di espansione cosmica (Effetto Doppler). Quindi
  addio al modello di universo stazionario.

• Il russo Friedmann
  tirò fuori nello stesso momento le soluzioni instazionarie dell'equazione
  di campo, senza costante cosmologica.

Scontento, Einstein
si ritirò sotto la sua tenda dicendo:

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

...Questa
costante cosmologica sprofondò allora in un quasi oblio per decenni.
Alcuni avanzarono argomenti che ne sostenevano la necessaria
nullità. Il fatto è che, riferendosi ad azioni
a grandissime distanze, essa faceva sentire la sua azione solo
in maniera tardiva, quando la dimensione caratteristica R(t)
dell'universo aveva raggiunto "un valore sufficiente".

...Le
misure di red shift, di velocità radiale delle galassie, permettono di calibrare
la legge di Hubble, che deriva dalla soluzione dell'equazione di
campo e che dice semplicemente:

La velocità di fuga
è proporzionale al red shift z

La costante di proporzionalità
si chiama costante di Hubble Ho.

....Una
parentesi per chi lo ignora. Un atomo, in laboratorio, immobile
rispetto all'apparecchio di misura, emette per esempio una radiazione
corrispondente a una lunghezza d'onda l. Per
effetto Doppler lo stesso atomo, in movimento, darà una lunghezza
d'onda: l' = l+ D
l

Si pone:

Se D
l è positivo
: la sorgente si allontana: red shift.

Se D
l è negativo,
la sorgente si avvicina: "blue shift".

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

...Si
sa che vi sono in realtà tre modelli di Friedmann, che non differiscono
che per la descrizione che danno del lontano futuro del cosmo.

Nello schema
seguente, dove si è supposti essere "abbastanza lontani"
da questo lontano futuro dell'universo, le tre curve sono confuse.

...Dunque
la conoscenza della legge di espansione cosmica, della costante di Hubble,
permette subito, secondo questo modello (a costante cosmologica
nulla) di dedurne l'età dell'universo.

...Immaginiamo
di prendere una fotografia istantanea dell'esplosione di una
granata. Il tempo di posa darebbe una certa sfocatura agli oggetti, il che permetterebbe
di valutare la loro velocità, quindi di calcolare, esaminando una semplice foto,
il momento in cui l'esplosione è iniziata. L'esplosione cosmica
è ben sûr diversa dall'esplosione di una granata, per
la sua dinamica, poiché la forza di gravitazione, frenando l'espansione, rallenta
questa progressivamente.

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

...Per
poter valutare la costante di Hubble bisognava dunque basare le
misure su oggetti sufficientemente lontani, quindi animati da velocità
sufficientemente forti perché queste superino il valore medio della
velocità di agitazione di una galassia nel suo ammasso (dell'ordine di 500 a
1000 chilometri al secondo).

...Il
problema restava la valutazione della distanza. Vedere una galassia
su un'immagine è una cosa, valutarne la distanza è un'altra
cosa. Per farlo bisogna conoscere la sua magnitudine assoluta,
la quantità di luce che è supposta emettere.
Per lungo tempo gli astronomi non furono d'accordo sulla valutazione
di questa costante di Hubble (in materia, un grande contestatore
fu l'astronomo francese de Vaucouleurs, che lavorava negli USA).

...Le
più vecchie stelle della nostra stessa galassia appartengono agli ammassi
stellari, come l'ammasso di Hercules. Finora gli astronomi erano
tutti d'accordo nel situare la loro età massimale intorno ai 15 miliardi di anni
(ma alcuni arrivavano persino a 20 o addirittura 22....).
Tutto il gioco consisteva allora nell'aggiustare la valutazione di Ho per
non allontanarsi troppo da questa età delle più vecchie stelle.

...Nel 1993 gli astronomi poterono, con l'aiuto
del telescopio spaziale Hubble, osservare delle cefeidi
in galassie estremamente distanti (55 e 48 milioni di anni-luce).
La cefeide è lo standard di distanza per eccellenza,
poiché si è supposti conoscere la legge che lega il loro periodo
di fluttuazione e la quantità di luce che emettono,
la loro magnitudine assoluta (legge di Henrietta Leawitt, 1912). Misurando, con
l'aiuto del telescopio, la loro magnitudine apparente, se ne deduce
la loro distanza.

...Le
misure effettuate su galassie, nel 93-94, divisero la
distanza che si era stimata finora di quasi un fattore due.
Di colpo l'età dell'universo scendeva a 8 o 9 miliardi di anni
e questo diventava ... più giovane delle stelle che conteneva.
E la rivista Nature, nel 1994, di concludere "bisognerà rimettere il modello
sul mestiere".

...Da allora,
due fatti nuovi sono intervenuti. La legge sulle cefeidi,
per essere sfruttabile, deve essere calibrata. Se si ammette
che esista una relazione tra il periodo di queste stelle variabili
e la loro magnitudine assoluta, la quantità di luce che emettono,
occorre ancora disporre di misure di distanze indipendenti. Queste
sono fornite dal metodo della parallasse, di Bessel. Si usa allora
lo spostamento stagionale della Terra attorno al sole, prendendo
due posizioni diametralmente opposte. Per una stella
data, relativamente vicina, rispetto a un fondo di stelle
molto distanti, alle due epoche dell'anno
si avranno due posizioni differenti, corrispondenti a un certo
scarto angolare Dq .

...Questo metodo ha i suoi limiti. Più distante
è la stella, più grande è il margine d'errore. Le misure in distanze
furono recentemente ricalibrate utilizzando il satellite Hipparcos.
Secondo gli specialisti l'analisi dei dati riportati
dal satellite avrebbe condotto a una revisione delle distanze
stimate per le cefeidi che servono classicamente
alla calibrazione della legge, con la loro distanza che cresce di un fattore
da 1,2 a 1,4. Così le galassie nelle quali il satellite Hubble aveva
rilevato delle cefeidi non erano "così vicine" quindi l'universo
"non così giovane". Dal canto loro, quelli che valutavano l'età delle più vecchie
stelle degli ammassi stellari della nostra galassia fecero seri
sforzi al ribasso e "tutto torna in ordine", stimano alcuni.

Ammettiamo...

...L'altra
soluzione "classica" consiste, come aveva fatto Lachièze-Rey, nel
tirar fuori, nell'urgenza, la costante cosmologica L
dalla sua naftalina. Dotata del segno giusto (potere repulsivo del vuoto)
questa ha per effetto di rilanciare l'espansione:

La legge:

cessa dunque di essere valida, o fornisce un'età più corta. In fatto,
attraverso questo modello "a geometria variabile"
si può sempre scegliere un valore di L che si inquadri
con qualsiasi valore dell'età dell'universo, per esempio quello
delle sue più vecchie stelle. Alcuni arrivarono persino a
dire che questo dava semplicemente una misura di L
.

...La
querelle che divide gli astronomi a proposito dell'età dell'universo sembra
lungi dallo spegnersi. Tra gli ottimisti che, appoggiandosi a un ricalibraggio
recente delle cefeidi dilatano l'insieme dell'universo
vicino (come per esempio la distanza della galassia di Andromeda) e
ammettono una rivalutazione al ribasso dell'età
delle più vecchie stelle e gli allarmisti, che pensano che le misure
di Hubble sollevino un reale problema, quale posizione
adottare?

Quella di un'attesa prudente,
senza dubbio.

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