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La curiosità del mese

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Il lato oscuro della materia

La curiosità del mese di giugno 2012 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - Darth Fener - Guerre stellari
Fig. 1 - Darth Fener - Guerre stellari (da Wikipedia).

Noi crediamo di conoscere abbastanza bene l’Universo che ci circonda, ma in realtà sappiamo qualcosa di quel misero 4% fatto dalla materia "normale" (protoni, neutroni, elettroni ...) che forma le stelle, i pianeti, le galassie, cioè tutto ciò che vediamo.
E il resto?
La parte del leone la fa l’energia oscura (di nome e di fatto) che costituisce i 3/4 della sostanza di cui è fatto l’Universo.
Sappiamo qualcosa delle proprietà che deve avere questa energia misteriosa, ma non sappiamo che cos’è.
E poi c’è un 21% di materia oscura. Che cos’è questa materia oscura?
È un po’ meno bizzarra dell’energia oscura, perchè almeno fa quel che la materia deve fare: attrarre (mentre l’energia oscura spinge ...). Ma non sappiamo di cosa è fatta.

PianetaDistanza dal Sole
(milioni di km)
Periodo
(anni terrestri)
Periodo
(giorni terrestri)
Velocità orbitale
(km/s)
Mercurio0.580.248847.9
Venere1.080.322534.9
Terra149.5136529.8
Marte227.91.968724.1
Giove778.311.9433313
Saturno1427.029.5107599.6
Urano2869.684.1306856.8
Nettuno4496.6164.9601955.4
Plutone5900.0247.9904754.7
Tabella 1: le distanze, il periodo di rivoluzione e le velocità orbitali dei pianeti del nostro sistema solare.
In omaggio al passato, abbiamo incluso anche Plutone, che recentemente è stato declassato a corpo minore del sistema solare.
Fig. 2 - La velocita’ dei pianeti attorno al Sole diminuisce man mano che ci allontaniamo dal Sole.
Fig. 2 - La velocità dei pianeti attorno al Sole diminuisce man mano che ci allontaniamo dal Sole.

L’opinione prevalente è che sia fatta da una nuova particella, che interagisce molto poco con la materia normale, dato che i nostri strumenti non l’hanno ancora rivelata. E chissà se interagisce con se stessa, a parte la forza gravitazionale che produce e che a cui soggiace ...
Si parla di neutralini, di wimps, di assioni, nomi esotici per una materia sfuggente. Siete scettici?
Beh, avete torto, perchè anche se non sappiamo che cos’è, sappiamo con sicurezza che c’è.
E come facciamo a saperlo?
Pensate al nostro sistema solare, ai pianeti che girano a varie distanze dal Sole, e chiedetevi qual è la loro velocità. La Terra fa un giro in un anno, e la sua distanza dal Sole è di circa 150 milioni di km. Quindi percorre circa un miliardo di km (l’intera lunghezza dell’orbita) in un anno. Cioè 30 km al secondo, o centomila km all’ora ...
E secondo voi Mercurio, che è più vicino al Sole, va più piano o più forte?
Più forte? Bravi. Perchè? Perchè Mercurio sente una gravità più forte di quella che sente la Terra, dato che è più vicino al Sole: per non caderci dentro, deve contrastare questa gravità più grande con una maggiore forza centrifuga, che implica una velocità maggiore. Mercurio deve viaggiare a 48 km al secondo, se non vuole cadere sul Sole.

Fig. 3 - Una Galassia simile alla nostra (NGC 4414), lontana 64 milioni di anni luce da noi. Si puo’ vedere come il centro della galassia sia molto piu’ luminoso del resto, perche’ li’ ci sono piu’ stelle.
Fig. 3 - Una Galassia simile alla nostra (NGC 4414), lontana 64 milioni di anni luce da noi. Si può vedere come il centro della galassia sia molto più luminoso del resto, perchè lì ci sono più stelle.

E Giove? Giove è più lontano, sente una gravità minore, e può permettersi una andatura da crociera di 13 km al secondo ... Per non parlare di Plutone, il più lontano (ex)-pianeta (è stato declassato a corpo minore ...): 4.7 km al secondo, "appena" 17mila km all’ora.

Fig. 4 - La curva di rotazione delle galassie. La maggior parte della materia visibile e' concentrata al centro un pò come nel nostro sistema solare. Eppure, man mano che ci si allontana dal centro, la velocita' delle stelle non diminuisce, ma rimane costante.
Fig. 4 - La curva di rotazione delle galassie. La maggior parte della materia visibile è concentrata al centro un pò come nel nostro sistema solare. Eppure, man mano che ci si allontana dal centro, la velocità delle stelle non diminuisce, ma rimane costante.

Insomma, più ci si allontana dal Sole, più si va piano. Adesso pensiamo ad una galassia. Il suo nucleo brillante ci dice che la maggior parte delle stelle sono concentrate li’, nel centro della galassia. E quindi anche la massa delle stelle di una galassia è concentrata li’. Ci aspettiamo quindi che le altre stelle, un po’ in periferia, girino attorno al centro come fanno i pianeti attorno al Sole: più queste stelle sono lontane, più dovrebbero andare piano.
E invece no. Con nostra sorpresa, hanno tutte la stessa velocità. Il Sole, per esempio, gira attorno al centro della Via Lattea a 220 km al secondo, ma anche le stelle più lontane del Sole, e anche quelle più vicine.
Com’è possible? Abbiamo sbagliato i conti? No, I conti sono giusti, solo che la materia che vediamo non è l’unica materia che c’è: la materia luminosa, quella delle stelle, deve essere piccola cosa in confronto ad un’altra materia che non emette luce. La materia oscura, appunto.
E deve succedere anche un’altra cosa. Se tutta la materia oscura fosse concentrata nel nucleo della Galassia, allora il nostro ragionamento di prima varrebbe ancora (più siamo lontani, più siamo lenti). No, dato che la velocità non cambia, la materia oscura deve essere più diffusa della materia visibile, deve essere distribuita in un "alone" grande, che deve estendersi a tutta la Galassia visibile e anche oltre ...
E noi nuotiamo in questo mare invisibile.


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