Se sei anche vagamente interessato al modo in cui funziona l’universo, probabilmente hai letto qualcosa su una misteriosa sostanza proposta dai fisici chiamata materia oscura. La materia oscura è una materia invisibile che non emette, riflette o assorbe luce, e interagisce solo con la materia normale attraverso la gravità. Non l’abbiamo mai rilevata direttamente, ma i fisici sono molto sicuri della sua esistenza e credono che ci sia circa cinque volte più di essa nell’universo osservabile rispetto alla materia regolare che costituisce le stelle, i pianeti, la polvere e tutto il resto di cui godiamo (ad esempio, le torte).
Potresti chiederti come i fisici sanno che deve esserci questa materia invisibile là fuori se non possiamo rilevarla direttamente. La risposta risale al lavoro di Fritz Zwicky negli anni ’30 e alle osservazioni di Vera Rubin e Kent Ford negli anni ’70.
Nel 1933, l’astronomo svizzero Fritz Zwicky studiò il Coma Cluster, un grande ammasso di galassie con un diametro di oltre 20 milioni di anni luce, contenente migliaia di galassie, e trovò qualcosa di piuttosto strano. Le galassie all’interno dell’ammasso si muovevano a velocità così elevate che dovrebbero allontanarsi l’una dall’altra, date le quantità di massa visibile all’interno delle galassie e dell’ammasso. Ipotizzò che la regione dovesse contenere una grande quantità di Dunkle Materie (materia oscura) per mantenere stabile l’ammasso.
Anche se puzzolente, lo studio non cambiò troppo rapidamente la cosmologia. Ma risultati simili arrivarono dall’osservazione di altri ammassi, e poi delle stelle all’interno delle galassie stesse. Utilizzando la legge di gravitazione di Newton e la forza centrifuga, si può calcolare la velocità di rotazione di una massa in moto circolare attorno a un’altra in funzione della distanza dal centro di rotazione, spiega un articolo sull’argomento.
Attraverso questi semplici calcoli si dimostra che la velocità di rotazione diminuisce all’aumentare della distanza. Questo funziona quando guardiamo il nostro stesso sistema solare. Più un oggetto è lontano dal centro di rotazione (il nostro Sole), più lenta è la sua rotazione attorno al centro.
Ma quando Vera Rubin e Kent Ford tracciarono le velocità delle stelle all’interno delle galassie a spirale, guardando lo spostamento delle lunghezze d’onda della luce mentre si muovono verso di noi e lontano da noi, trovarono lo stesso strano fenomeno di Zwicky. Poiché le galassie a spirale contengono la maggior parte della massa (visibile) verso il centro, si aspettavano che le stelle verso il centro della galassia ruotassero più velocemente di quelle ai margini della galassia.
Se le stelle ai margini delle galassie ruotassero alla stessa elevata velocità di quelle al centro, e la massa visibile è tutto ciò che c’è dentro, ci si aspetterebbe che quelle stelle diventassero separate dalla galassia, senza abbastanza gravità per mantenerle al suo interno. Eppure è proprio ciò che hanno trovato. Le stelle ai margini scarsamente popolati delle galassie a spirale si muovevano alla stessa velocità delle stelle verso i loro centri galattici.
Studiando oltre 60 galassie, trovarono lo stesso risultato, con Rubin che concludeva che le galassie devono contenere circa 10 volte più massa di quanto sia visibile per spiegare questi movimenti. Più studiamo le galassie, più troviamo una discrepanza tra la quantità di massa visibile che hanno e le velocità con cui ci si aspetterebbe che le loro stelle si muovessero, date le loro masse visibili.
È ora ampiamente accettato che l’universo contenga materia oscura, superando di gran lunga la materia visibile che vediamo, anche se il dibattito su che cosa sia quella materia è ancora in corso, e la sua rilevazione rimane ancora fuori portata. Esistono alternative alla materia oscura (come MOND, che ipotizza in modo un po’ arbitrario che la gravità diventi più debole a grandi distanze), ma qualsiasi teoria sulla dinamica del nostro universo deve ora spiegare perché le stelle sul bordo esterno di una galassia ruotano così velocemente come fanno, pur rimanendo legate ad essa.
Abbiamo scrutato in un nuovo mondo, scrisse Rubin di quell’osservazione che ha cambiato la fisica, e abbiamo visto che è più misterioso e complesso di quanto avessimo immaginato. Ancora più misteri dell’universo rimangono nascosti. La loro scoperta attende gli scienziati avventurosi del futuro.
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