Oscurita' E Luce | Carnevale Della Fisica # 16 Da Paolo Pascucci

Oggi è il giorno della sedicesima edizione del Carnevale della Fisica, allestita con maestria dall'amico Paolo Pascucci sul suo blog "Questione della Decisione".

Un'edizione stupenda: dal tema scelto "oscurità e luce", alla magnifica introduzione, all'allestimento dei contributi.

Caldamente consigliata una visita. Per farvi venire l'appetito, riporto di seguito l'introduzione di Paolo.

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In principio era la luce. La bolletta è arrivata dopo.
Se si intende come conto da pagare direi che non siamo lontani dal vero, in molti sensi, stante il fatto che è comunque una battuta (s'era capito?).
Il conto da pagare, genericamente,  è sia quello alla natura e all'ambiente, in ottica energia dalla luce, quindi energia pulita, che quello alla conoscenza, considerando tutto quello che ancora non sappiamo.
E allora, cosa sarebbero queste materia ed energia oscure?
Dal sito della ESA traggo questa mappa tridimensionale della materia oscura nel nostro Universo



realizzata grazie ai dati forniti da HST (Hubble Space Telescope)  e XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton, osservatorio orbitante nel dominio dei raggi X). Non che ci aiuti a capire molto di più, ma almeno possiamo provare a immaginare qualcosa.
E' dagli anni trenta del secolo scorso  che gli studiosi di astronomia sanno dell'esistenza di una maggior quantità di materia di quella osservabile. E' proprio la nostra galassia a fornircene una prova indiretta. La maggior parte delle stelle della Via Lattea ruota in un disco con un diametro di circa 100.000 anni-luce, ma lo spessore è piuttosto sottile, da 1000 a 2000 anni-luce. Nel loro moto rivoluzionario intorno al centro della galassia, le stelle  compiono una serie di movimenti oscillatori all'interno dei confini del disco. Questa oscillazione è proporzionale alla quantità di materia presente: quanta più materia si  trova nella galassia tanto minore sarà l'oscillazione, per via della forza di gravità che tende ad attrarre le stelle. Gli studi dimostrano che le stelle oscillano meno di quello che potrebbero, se ci fosse solo la materia osservabile; fino alle recenti osservazioni di fine anni '8o che stimano la presenza di materia non osservabile come 10 volte superiore a quella osservata.
Anche dallo studio degli ammassi galattici (cioè stelle nate dalla stessa nube galattica, reciprocamente influenzate dall'attrazione gravitazionale, all'interno però di un disco galattico) emerge la presenza di materia che sfugge alla nostra osservazione, visto che gli ammassi si muovono troppo velocemente pur rimanendo uniti, ci deve essere una forza attrattiva proveniente da materiale che non riusciamo a vedere.
Il Modello Cosmologico Standard, anche detto Modello del Big Bang, prevede che la densità media della materia nell'Universo sia di 5x10-27 kg/m3 , però quella che noi osserviamo corrisponde (sotto forma di materia barionica, protoni e neutroni) solo al 4% della densità richiesta.
Cos'è dunque questa materia che manca?
Alcune possibilità.

Materia barionica oscura. MACHO (massive astronomical compact halo object)

    * Nane Brune. Stelle con una massa inferiore dell'8% circa a quella del sole che non riusciranno mai ad innescare la fusione nucleare e a risplendere (luminosità circa 1 milionesimo di quella solare)
    * Buchi neri  massicci con massa milioni di volte quella solare, anche se  però, se esistono, non si osserva la loro influenza sulla forma delle galassie

Materia non barionica oscura. WIMP (weakly interacting massive particles)

    * Materia oscura fredda composta di particelle che viaggiano a velocità inferiore a quella della luce
    * Materia oscura calda composta di particelle che viaggiano a velocità  vicine a quelle della luce

Combinando dati (radiazione cosmica di fondo) e teoria si perviene a quella che si chiama

    * Materia oscura mista, che prevede un 66% circa  di materia oscura fredda, un 33% circa di materia oscura calda e un misero 1% di materia barionica.

E l'energia, l'energia oscura cos'è? Questa che, con perfetto ossimoro degno di un  fine umorista, viene definita energia oscura, cosa sarebbe? Siamo abituati da sempre ad associare l'energia a qualcosa di luminoso, di solare.
Cominciamo anche qui con una figura.



L'energia oscura è una forma di energia che pervade tutto l'Universo e che rende conto dell'espansione che risulta dai dati osservativi. La sua azione è antigravitazionale. Grazie al lavoro di Richard Feynman sulla teoria quantistica della materia, sappiamo che anche il vuoto ha un'energia, che si deve alle particelle virtuali che si formano a coppie e che si annichiliscono reciprocamente. Questa energia dovrebbe essere la responsabile dell'accelerazione dell'espansione dell'Universo.
Esistono  due ipotesi per spiegare l'energia oscura

    * La costante cosmologica, cioè una densità di energia costante che permea tutto l'Universo
    * La quintessenza, cioè una densità di energia dinamica (variabile) che permea tutto l'Universo

 In ultimo, una bella definizione di energia oscura: il costo di avere uno spazio. Anche uno spazio vuoto ha un costo, per esistere, e questo costo sarebbe l'energia oscura.
Ma bando alle ciance, è ora di presentare tutti gli stratosferici lavori di questa edizione del Carnevale della Fisica.

Si parte, in perfetto ordine di arrivo. [Continuare a leggere]