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c01:a11

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A1.11 Il problema della massa oscura.

Si è indicato come la stima della densità attuale dell'Universo sia un parametro cruciale per modellare l'evoluzione cosmologica dell'Universo medesimo e, in particolare, per stabilire se esso è aperto o chiuso. E' infatti di per sè evidente che, fissato il campo di velocità della legge di Hubble, al crescere della densità cresce il campo gravitazionale che contrasta l'espansione, e dalla stima di tale densità discende quindi il valutare se l'Universo superi o meno la velocità di fuga.

Più in generale, ricordiamo che dall'assunzione che l'Universo sia su grande scala omogeneo e isotropo si ricava per l'espansione l'equazione di Friedmann

H^2 = ({{R}over{.}}/R)^2 = {8 pi G rho_m}/3 - {kc^2}/R^2 + {{Lambda c^2} /3}

dove <tex>R= R(t)</tex> è il fattore di scala, H={{R}over{.}}/R misura la velocità di espansione (H0, costante di Hubble, rappresenta l'espansione al tempo presente), rho_m densità di massa, k parametro di curvatura e Lambda la costante cosmologica di Einstein, che rappresenta una densità di energia del vuoto.

Esprimendo le densità di materia ed energia attraverso i parametri al tempo presente

Omega_M =  {8 G  rho_M}/{{3H_0}^2}

Omega_ Lambda  = Lambda c^2 / 3{H_0}^2

l'equazione di Friedmann fornisce

kc^2 / {R_0}^2  = {H_0}^2 (Omega_M + Omega_Lambda -1)

e per avere un Universo piatto e con metrica euclidea, come rivelato ad esempio dal satellite WMAP, si richiede k=0 e quindi

Omega_M + Omega_Lambda = 1

Una stima della densità di materia normale (barioni) si ottiene dalla stima della densità di galassie unita a valutazioni della massa delle medesime. Con tale procedura si giunge ad una densità dell'attuale Universo dell'ordine di 10-31 gr/cm3, cioè inferiore di circa un fattore 100 della densità critica necessaria per chiudere l'Universo. Se ne dovrebbe concludere che l'Universo è aperto, destinato ad una indefinita espansione. E' stato peraltro fatto notare che la procedura testè descritta conduce ad una stima della massa contenuta in oggetti emettenti luce, e che non si può escludere la presenza di massa oscura, dalla quale non proviene radiazione elettromagnetica. Massa che potrebbe essere contenuta in oggetti oscuri (stelle di bassissima luminosità od oggetti planetari) ma anche in particelle elementari massive e scarsamente interagenti diffuse nell'Universo (Weakly Interacting Massive Particle, o WIMP).

figura_1_26.jpg

Figura 1.26 Curva di rotazione della galassia NGC3198. In funzione della distanza R dal centro della galassia è riportata la velocità di rotazione osservata per stelle e nubi di gas. Il tratto orizzontale indica, orientativamente, le dimensioni dell'immagine ottica della galassia.

Esistono infatti molteplici evidenze per l'esistenza di un tale ulteriore contributo. La stabilità del disco della nostra Galassie richiede ad esempio molta più massa di quella visibile. Un'altra evidenza sperimentale per l'esistenza di massa oscura è fornita dalla curva di rotazione delle galassie spirali. Se la massa delle galassie è collegata sostanzialmente all'osservato corpo luminoso, ci si attende che allontanandosi da questo gli oggetti che vi ruotano attorno (stelle e/o gas) mostrino velocità decrescenti, come atteso da moti kepleriani. L'osservazione mostra che ciò non è vero, e la velocità di rotazione si mantiene pressochè costante sino a grandi distanze dal corpo centrale della galassia ed all'esterno della stesa immagine ottica della galassia (fig. 1.26). Se si vuole conservare la legge di gravità di Newton, ciò implica che nella Galassia e attorno ad essa esista una distribuzione di massa non accessibile all'osservazione diretta. Altre evidenze per la presenza di massa oscura si ottengono dalla dinamica degli ammassi di galassie.

Si è così stimato che in alcuni casi la massa oscura sia almeno quattro volte quella osservata, un valore rilevante ma ancora troppo piccolo per rendere piatto l'Universo. In tale contesto molte indagini sono state dedicate al tentativo di determinare se e quanta di tale massa oscura potesse essere sotto forma di barioni. Tali ad esempio gli esperimenti MACHO ed EROS volti a rivelare gli effetti di lente gravitazionale prodotti da corpi oscuri di piccola massa transitanti davanti a stelle normali. Il progresso delle indagini sulla radiazione di fondo cosmico, e in particolare i risultati del già citato satellite WMAP, sembrano ormai aver risolto tale problema, mostrando che la materia oscura è essenzialmente non barionica, ma che l'Universo è piatto solo grazie al sostanziale contributo di una per molti versi ancora misteriosa energia del vuoto (o energia oscura).





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c01/a11.1447410106.txt · Ultima modifica: 13/11/2015 11:21 da marco