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| Galaxy cluster MACS J0717- Crediti: NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling and E. Barrett (University of Hawaii/IfA), et al. and STScI |
E’ arrivata l’ennesima domanda impossibile di Marco! I lettori di Scientificando sapranno con ogni probabilità a cosa mi riferisco, ma quanti si trovassero a passare occasionalmente da queste parti potrebbero non esserne a conoscenza. Presto detto! Marco è un ipotetico studente quattordicenne, estremamente curioso, che ha messo diverse volte alla prova la capacità della scrivente di soddisfare il suo desiderio di conoscere argomenti di Fisica piuttosto complessi, soprattutto in ragione della sua giovanissima età.
Non mi sono mai tirata indietro, né lo farò questa volta. Vediamo da dove cominciare e che Dio me la mandi buona! Riporto, di seguito, il nostro "botta e risposta" per certi versi un po’ surreale, ergo mettetevi comodi e ben disposti.
Marco: Prof, che cos’è la materia oscura in 3D?
Prof: Dove sei andato a curiosare, questa volta, per tirare in ballo un argomento del genere?
Marco: Da Media Inaf. La notizia risale a circa una decina di giorni fa.
Prof: Nientemeno che dal notiziario online dell’Istituto Nazionale di Astrofisica! Ti stai dando alle letture impegnate, vedo;)
Marco: Prof, non faccia dell’ironia per piacere. La notizia mi incuriosisce non poco e, per avere lumi, mi sono rivolto a lei che è tanto paziente…
Prof: Adesso non fare tu dell’ironia, piccolo! D’accordo, parliamo seriamente. Che cosa vuoi sapere di preciso? In che cosa consiste un’immagine 3D oppure che cos’è la materia oscura? O ancora ti interessa approfondire la notizia riguardante lo studio che ha consentito di ricostruire una immagine 3D del gigantesco filamento di materia oscura, grazie al telescopio spaziale NASA/ESA Hubble? In effetti, devo ammettere che i ricercatori sono stati molto bravi ad ottenere l’immagine in questione dalla combinazione di immagini a colori e dati sulla posizione e sul movimento delle galassie nascoste dal filamento. Intanto, guardiamola questa splendida immagine.
Marco: Sono affascinato dalla notizia in sé, dalle immagini e dal video a corredo, (vedere video alla fine del post) ma devo ammettere che non ci ho capito un bel nulla perché non so che cosa sia questa benedetta “materia oscura”. Ho cercato su Wikipedia e altrove…con il risultato di uscirne più confuso di prima.
Prof: D’accordo! Proverò a fornirti una spiegazione mi auguro adeguata alla tua età e, per fare ciò, dovrò necessariamente semplificare, e di parecchio, i termini della questione, con lo scopo di renderti il più “chiara” possibile la “materia” del complesso argomento in cui stiamo per immergerci. Ma, per raggiungere l’obiettivo, è imprescindibile creare i prerequisiti che ne rendono possibile la comprensione, altrimenti la “materia” rimarrà per te più “oscura” che mai. Sei pronto per la full immersion?
Marco: Certo che sì! Ho l’intera attrezzatura occorrente: pinne, occhiali, bombole di ossigeno…
Prof: Faresti meglio ad armarti di pazienza perché te ne servirà parecchia;). Intanto, concentrazione! … e cerca di ricordare quanto hai appreso dalle nostre precedenti “chiacchierate”.
Cominciamo con il precisare che il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang. Hai sentito parlare di Big Bang, vero?
Marco: Certo che sì! Non si intende il gran “botto” iniziale da cui ha avuto origine l’Universo?
Prof: Alt! Intanto, nessun “botto”! Secondo il modello scientifico prevalente, conosciuto come modello del Big Bang, l'universo iniziò ad espandersi a partire da una condizione iniziale estremamente calda e densa, in cui era concentrata tutta la materia e l'energia dell'universo osservabile. Da tale fase, nota come epoca di Planck, ha avuto inizio un processo di espansione, che continua tuttora.
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Marco: Prof, che cos’è la materia oscura in 3D?
Prof: Dove sei andato a curiosare, questa volta, per tirare in ballo un argomento del genere?
Marco: Da Media Inaf. La notizia risale a circa una decina di giorni fa.
Prof: Nientemeno che dal notiziario online dell’Istituto Nazionale di Astrofisica! Ti stai dando alle letture impegnate, vedo;)
Marco: Prof, non faccia dell’ironia per piacere. La notizia mi incuriosisce non poco e, per avere lumi, mi sono rivolto a lei che è tanto paziente…
Prof: Adesso non fare tu dell’ironia, piccolo! D’accordo, parliamo seriamente. Che cosa vuoi sapere di preciso? In che cosa consiste un’immagine 3D oppure che cos’è la materia oscura? O ancora ti interessa approfondire la notizia riguardante lo studio che ha consentito di ricostruire una immagine 3D del gigantesco filamento di materia oscura, grazie al telescopio spaziale NASA/ESA Hubble? In effetti, devo ammettere che i ricercatori sono stati molto bravi ad ottenere l’immagine in questione dalla combinazione di immagini a colori e dati sulla posizione e sul movimento delle galassie nascoste dal filamento. Intanto, guardiamola questa splendida immagine.
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| L'immagine costruita grazie a 18 scatti realizzati dal telescopio Hubble |
Marco: Sono affascinato dalla notizia in sé, dalle immagini e dal video a corredo, (vedere video alla fine del post) ma devo ammettere che non ci ho capito un bel nulla perché non so che cosa sia questa benedetta “materia oscura”. Ho cercato su Wikipedia e altrove…con il risultato di uscirne più confuso di prima.
Prof: D’accordo! Proverò a fornirti una spiegazione mi auguro adeguata alla tua età e, per fare ciò, dovrò necessariamente semplificare, e di parecchio, i termini della questione, con lo scopo di renderti il più “chiara” possibile la “materia” del complesso argomento in cui stiamo per immergerci. Ma, per raggiungere l’obiettivo, è imprescindibile creare i prerequisiti che ne rendono possibile la comprensione, altrimenti la “materia” rimarrà per te più “oscura” che mai. Sei pronto per la full immersion?
Marco: Certo che sì! Ho l’intera attrezzatura occorrente: pinne, occhiali, bombole di ossigeno…
Prof: Faresti meglio ad armarti di pazienza perché te ne servirà parecchia;). Intanto, concentrazione! … e cerca di ricordare quanto hai appreso dalle nostre precedenti “chiacchierate”.
Cominciamo con il precisare che il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang. Hai sentito parlare di Big Bang, vero?
Marco: Certo che sì! Non si intende il gran “botto” iniziale da cui ha avuto origine l’Universo?
Prof: Alt! Intanto, nessun “botto”! Secondo il modello scientifico prevalente, conosciuto come modello del Big Bang, l'universo iniziò ad espandersi a partire da una condizione iniziale estremamente calda e densa, in cui era concentrata tutta la materia e l'energia dell'universo osservabile. Da tale fase, nota come epoca di Planck, ha avuto inizio un processo di espansione, che continua tuttora.
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Marco: Peccato, niente botto iniziale! E chi ci dice che le cose siano andate proprio così? Quanto tempo fa sarebbe iniziato tutto ciò?
Prof: Sempre scettico, tu! Diverse misurazioni sperimentali indipendenti supportano questa teoria di espansione metrica dello spazio e, più in generale, la teoria del Big Bang. Inoltre, le interpretazioni attuali delle osservazioni astronomiche indicano che l'età dell'universo è di 13,75 ± 0,17 miliardi di anni. Di più non posso dirti. Devi fidarti, se vuoi che continui.
Marco: Mi fido, mi fido! Ma cosa ha a che fare la materia oscura con il modello da lei citato?
Prof: Ha a che fare sì! Pensa che la teoria del Big Bang è stata dedotta dalle equazioni della Relatività Generale einsteiniana, con l’inserimento di opportune ipotesi semplificative che non sto qui a citare per non complicarti la vita. Tale ipotesi, nota come principio cosmologico, generalizza all'intero universo il principio copernicano. La teoria del Big Bang risultò subito in accordo con la nuova concezione della struttura dell'universo, che proprio negli stessi decenni stava emergendo dall'osservazione astronomica delle nebulose. E il concetto di materia oscura ha significato soltanto all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang, come prima detto; infatti, non si saprebbe altrimenti spiegare come si siano potute formare le galassie e gli ammassi di galassie in un tempo così breve come quello osservato.
Non si saprebbe spiegare nemmeno perché le galassie, oltre a formarsi, si mantengano integre anche se la materia visibile, composta da barioni, non può sviluppare una gravità sufficiente per tale scopo. Anche da questa prospettiva il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale Modello Standard, che prevede come unica forza cosmologica quella gravitazionale; se il Modello Standard risultasse errato, la materia oscura non sarebbe necessaria, dato che non si ha alcuna evidenza sperimentale se non le violazioni di un modello matematico. Ci stai capendo qualcosa?
Marco: Ehm, non molto. Ha parlato di materia visibile, penso sia quella che percepiamo, vero? Allora, la materia oscura c’è ma non si vede? E cosa sono i barioni?
Prof: Sì per le due prime domande. La materia visibile è quella ordinaria ovvero quella che conosciamo normalmente. In cosmologia, la materia ordinaria è costituita essenzialmente da protoni, neutroni ed elettroni. I primi due sono i barioni più conosciuti mentre gli elettroni sono leptoni.
Marco: E qual è la differenza tra barioni e leptoni? Da quel che ne so, protoni e neutroni hanno una massa circa 2000 volte maggiore di quella degli elettroni. Lo so perché a scuola ho studiato gli atomi. La differenza tra barioni e leptoni è dovuta quindi alla loro diversa massa?
Prof: Bravo! Vedi che è utile ciò che si apprende a scuola?
I componenti maggiori degli atomi sono proprio i protoni, i neutroni e gli elettroni, ma la differenza tra i due barioni e i leptoni citati sta fondamentalmente tra i loro costituenti più intimi: i quark!
Protoni e neutroni sono formati da quark, gli elettroni non lo sono. Per tal motivo i primi due sono coinvolti nell’interazione forte mentre gli elettroni no.
Marco: Ossignore, le cose si complicano. Non voglio approfondire la conoscenza dei signori quark perché suppongo che se la "tirino" un po’, però l’interazione forte mi interessa. Di coooosa si tratta?
Prof: In fisica delle particelle, l'interazione forte (chiamata anche forza nucleare forte o forza cromatica) è una delle quattro interazioni fondamentali previste dal Modello Standard.
In natura, infatti, sono state individuate quattro forze fondamentali, o interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo: l'interazione gravitazionale, l'interazione elettromagnetica, l'interazione nucleare forte e l'interazione nucleare debole.
Qui, però, le cose si complicano davvero un bel po’ e dovresti accontentarti di quanto ti ho detto. Posso solo aggiungere che l'interazione forte può essere osservata, in scala più piccola, fra quark a formare i protoni, i neutroni ed altre particelle, e, in scala più grande (dove si parla più propriamente di "forza nucleare forte"), fra protoni e neutroni a formare il nucleo dell'atomo. Per inciso, la forza nucleare forte fu così definita perché è la più forte tra le quattro forze fondamentali della natura e fu originariamente ipotizzata da Enrico Fermi.
Marco: FERMI tutti!
Facendo il punto: la materia visibile ordinaria è in maggior parte barionica, coerentemente con la Teoria del Bing Bang dell’universo e con il modello Standard.
Domanda: la materia oscura, non essendo visibile è dunque non barionica? E se così fosse da quali particelle sarebbe formata?
Prof: Nella materia oscura c’è quasi sicuramente una forma di materia non barionica. In realtà, la natura della materia oscura è ancora sconosciuta. Essa potrebbe avere varie componenti: una di tipo barionico (materia "ordinaria", cioè fatta da atomi) e una, più “esotica”, di tipo non barionico.
Marco: Alt! Ma non abbiamo detto che la materia barionica è visibile? E allora come potrebbe essere una componente della materia oscura?
Prof: La componente barionica, costituita da oggetti massicci, ma non luminosi, può essere costituita da pianeti, nane bianche (stelle che hanno finito di “bruciare”), nane brune (stelle che non hanno mai cominciato a “bruciare”), stelle di neutroni e buchi neri.
Questi oggetti vanno sotto il nome di MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects cioé Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) ed emettono per loro natura una quantità di luce troppo scarsa per poter essere rilevati. Esiste però un diverso sistema di rivelazione di questi oggetti, basato su un effetto ben noto, detto lente gravitazionale.
Marco: Non bastano le lenti comuni? Pure quelle gravitazionali ci stanno? Me lo spiega dopo di che diavolo si tratta. Adesso spenda due parole per la componente più “ricercata” della Materia oscura, ovvero quella non barionica che ha chiamato “esotica”. Che termine curioso hanno coniato i fisici…anche i pappagalli sono esotici, però sono barionici...oppure no?
Prof: Che cosa c’entrano adesso i pappagalli barionici? Non stiamo parlando di organismi! Cerca di rimanere serio, se ti riesce, altrimenti mi fai andare in tilt!
La Materia Oscura non barionica, che prima ho chiamato “esotica”, non e’ costituita da oggetti compatti ma da particelle. Queste particelle, note con il nome di WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles cioé particelle massive debolmente interagenti), sono molto massive (100 volte più pesanti di un protone o più), ma interagiscono pochissimo con la materia, ancor meno dei neutrini.
Marco: Ah, i neutrini! Quelli del tunnel Gelmini...
Prof: Ti prego!
Le WIMPs vagherebbero nel Cosmo, addensandosi in prossimità delle galassie a causa dell’attrazione gravitazionale. I fisici ritengono che le WIMPs altro non siano che delle particelle previste da alcune teorie, ma non ancora osservate neanche nei più potenti acceleratori.
Marco: Lo sapevo che ci sarebbero entrati anche gli acceleratori in questo discorso. Vede che il tunnel Gelmini non era poi così tanto fuori tema?
Prof: Lasciamo perdere! In realtà, contiamo molto su LHC (Large Hadron Collider) del CERN. Soltanto lì si potranno produrre particelle del tipo di quelle che gli scienziati pensano costituire la materia oscura e studiarle da vicino.
Marco: Non mi quadra ancora qualcosa. Se la Materia Oscura non è osservabile, come è stato possibile rilevarne la presenza?
Prof: Mi aspettavo la domanda:). Cerco di risponderti terra terra.
Se ipotizziamo di sommare la quantità di materia che vediamo nel cosmo, cioè quella che emette un qualche tipo di radiazione che ne indichi la presenza (stelle, galassie, nebulose, eccetera, eccetera), otteniamo la massa dell’universo. Peccato che il valore ottenuto…sia errato!
Marco: Perché errato?
Prof: Gli scienziati hanno constatato che le stelle e le galassie si muovono come se la quantità di materia presente nell’Universo fosse enormemente superiore a quella della materia “luminosa”.
Marco: Quanto superiore?
Prof: Secondo le stime degli scienziati, l’Universo sarebbe costituito per il 96% circa di Materia oscura + Energia Oscura.
Marco: Quindi noi staremmo nel misero, restante 4%? Non è possibile! Allora conosciamo veramente poco dell’Universo!
Prof: In effetti, è piuttosto imbarazzante ammettere che circa il 96% della massa dell’Universo ancora ci sfugge.
Tornando al “perché errato”, l’unico modo per cavarsi d’impaccio è pensare che nell’Universo ci sia materia sconosciuta che non emette luce: per questo noi non la vediamo e gli scienziati la chiamano “materia oscura”. Gli esperimenti di LHC potrebbero rivelarci l’esistenza di nuove particele pesanti e sfuggenti, alle quali attribuire la responsabilità di tutta questa materia che ci circonda, che c’è ma non si vede.
Marco: Penso di aver capito…Un’ultima domanda: che cos’è la lente gravitazionale?
Prof: Questo te lo vai a leggere qui.
Prima di passare all’immagine 3D del gigantesco filamento di materia oscura, da cui è derivato tutto l’ambaradan di cui abbiamo discusso, tengo a precisare, per correttezza di informazione, un’ultima cosa: gli scienziati pensano che accanto alla Materia Oscura esista una particolare forma di energia (nota come Energia Oscura), la quale, secondo il principio di equivalenza di Einstein (E = mc^2), è in grado di dar conto della maggior parte della massa dell’Universo. L’Energia oscura agirebbe come una gravità negativa, ovvero tenderebbe a far espandere l’Universo, contrapponendosi alla decelerazione, dovuta all’attrazione gravitazionale della materia ordinaria e della materia oscura.
Secondo la grande Margherita Hack : “ L´energia oscura è una delle ultime sorprendenti scoperte. Sappiamo che l´universo è in espansione. Sappiamo che la densità di materia (inclusa la materia oscura) non è sufficiente a frenare l´espansione così tanto da arrivare a una successiva fase di contrazione”.
Marco: Grazie, prof. Adesso sono pronto a comprendere la notizia che ho letto su Media Inaf.
Prof: Ah, già. Dimenticavo quasi…
Beh, adesso non dovrebbe essere difficile comprendere il significato dello studio pubblicizzato su Media Inaf.
In sostanza, un team di ricercatori, guidati da Mathilde Jauzac (Università di KwaZulu-Natal), ha analizzato un filamento di materia oscura dalle dimensioni gigantesche (almeno 60 milioni di anni luce di lunghezza) grazie al telescopio spaziale Hubble, ricostruendone una immagine 3D, ovvero tridimensionale. Un tipo di osservazione mai compiuta prima.
Prof: Sempre scettico, tu! Diverse misurazioni sperimentali indipendenti supportano questa teoria di espansione metrica dello spazio e, più in generale, la teoria del Big Bang. Inoltre, le interpretazioni attuali delle osservazioni astronomiche indicano che l'età dell'universo è di 13,75 ± 0,17 miliardi di anni. Di più non posso dirti. Devi fidarti, se vuoi che continui.
Marco: Mi fido, mi fido! Ma cosa ha a che fare la materia oscura con il modello da lei citato?
Prof: Ha a che fare sì! Pensa che la teoria del Big Bang è stata dedotta dalle equazioni della Relatività Generale einsteiniana, con l’inserimento di opportune ipotesi semplificative che non sto qui a citare per non complicarti la vita. Tale ipotesi, nota come principio cosmologico, generalizza all'intero universo il principio copernicano. La teoria del Big Bang risultò subito in accordo con la nuova concezione della struttura dell'universo, che proprio negli stessi decenni stava emergendo dall'osservazione astronomica delle nebulose. E il concetto di materia oscura ha significato soltanto all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang, come prima detto; infatti, non si saprebbe altrimenti spiegare come si siano potute formare le galassie e gli ammassi di galassie in un tempo così breve come quello osservato.
Non si saprebbe spiegare nemmeno perché le galassie, oltre a formarsi, si mantengano integre anche se la materia visibile, composta da barioni, non può sviluppare una gravità sufficiente per tale scopo. Anche da questa prospettiva il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale Modello Standard, che prevede come unica forza cosmologica quella gravitazionale; se il Modello Standard risultasse errato, la materia oscura non sarebbe necessaria, dato che non si ha alcuna evidenza sperimentale se non le violazioni di un modello matematico. Ci stai capendo qualcosa?
Marco: Ehm, non molto. Ha parlato di materia visibile, penso sia quella che percepiamo, vero? Allora, la materia oscura c’è ma non si vede? E cosa sono i barioni?
Prof: Sì per le due prime domande. La materia visibile è quella ordinaria ovvero quella che conosciamo normalmente. In cosmologia, la materia ordinaria è costituita essenzialmente da protoni, neutroni ed elettroni. I primi due sono i barioni più conosciuti mentre gli elettroni sono leptoni.
Marco: E qual è la differenza tra barioni e leptoni? Da quel che ne so, protoni e neutroni hanno una massa circa 2000 volte maggiore di quella degli elettroni. Lo so perché a scuola ho studiato gli atomi. La differenza tra barioni e leptoni è dovuta quindi alla loro diversa massa?
Prof: Bravo! Vedi che è utile ciò che si apprende a scuola?
I componenti maggiori degli atomi sono proprio i protoni, i neutroni e gli elettroni, ma la differenza tra i due barioni e i leptoni citati sta fondamentalmente tra i loro costituenti più intimi: i quark!
Protoni e neutroni sono formati da quark, gli elettroni non lo sono. Per tal motivo i primi due sono coinvolti nell’interazione forte mentre gli elettroni no.
Marco: Ossignore, le cose si complicano. Non voglio approfondire la conoscenza dei signori quark perché suppongo che se la "tirino" un po’, però l’interazione forte mi interessa. Di coooosa si tratta?
Prof: In fisica delle particelle, l'interazione forte (chiamata anche forza nucleare forte o forza cromatica) è una delle quattro interazioni fondamentali previste dal Modello Standard.
In natura, infatti, sono state individuate quattro forze fondamentali, o interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo: l'interazione gravitazionale, l'interazione elettromagnetica, l'interazione nucleare forte e l'interazione nucleare debole.
Qui, però, le cose si complicano davvero un bel po’ e dovresti accontentarti di quanto ti ho detto. Posso solo aggiungere che l'interazione forte può essere osservata, in scala più piccola, fra quark a formare i protoni, i neutroni ed altre particelle, e, in scala più grande (dove si parla più propriamente di "forza nucleare forte"), fra protoni e neutroni a formare il nucleo dell'atomo. Per inciso, la forza nucleare forte fu così definita perché è la più forte tra le quattro forze fondamentali della natura e fu originariamente ipotizzata da Enrico Fermi.
Marco: FERMI tutti!
Facendo il punto: la materia visibile ordinaria è in maggior parte barionica, coerentemente con la Teoria del Bing Bang dell’universo e con il modello Standard.
Domanda: la materia oscura, non essendo visibile è dunque non barionica? E se così fosse da quali particelle sarebbe formata?
Prof: Nella materia oscura c’è quasi sicuramente una forma di materia non barionica. In realtà, la natura della materia oscura è ancora sconosciuta. Essa potrebbe avere varie componenti: una di tipo barionico (materia "ordinaria", cioè fatta da atomi) e una, più “esotica”, di tipo non barionico.
Marco: Alt! Ma non abbiamo detto che la materia barionica è visibile? E allora come potrebbe essere una componente della materia oscura?
Prof: La componente barionica, costituita da oggetti massicci, ma non luminosi, può essere costituita da pianeti, nane bianche (stelle che hanno finito di “bruciare”), nane brune (stelle che non hanno mai cominciato a “bruciare”), stelle di neutroni e buchi neri.
Questi oggetti vanno sotto il nome di MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects cioé Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) ed emettono per loro natura una quantità di luce troppo scarsa per poter essere rilevati. Esiste però un diverso sistema di rivelazione di questi oggetti, basato su un effetto ben noto, detto lente gravitazionale.
Marco: Non bastano le lenti comuni? Pure quelle gravitazionali ci stanno? Me lo spiega dopo di che diavolo si tratta. Adesso spenda due parole per la componente più “ricercata” della Materia oscura, ovvero quella non barionica che ha chiamato “esotica”. Che termine curioso hanno coniato i fisici…anche i pappagalli sono esotici, però sono barionici...oppure no?
Prof: Che cosa c’entrano adesso i pappagalli barionici? Non stiamo parlando di organismi! Cerca di rimanere serio, se ti riesce, altrimenti mi fai andare in tilt!
La Materia Oscura non barionica, che prima ho chiamato “esotica”, non e’ costituita da oggetti compatti ma da particelle. Queste particelle, note con il nome di WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles cioé particelle massive debolmente interagenti), sono molto massive (100 volte più pesanti di un protone o più), ma interagiscono pochissimo con la materia, ancor meno dei neutrini.
Marco: Ah, i neutrini! Quelli del tunnel Gelmini...
Prof: Ti prego!
Le WIMPs vagherebbero nel Cosmo, addensandosi in prossimità delle galassie a causa dell’attrazione gravitazionale. I fisici ritengono che le WIMPs altro non siano che delle particelle previste da alcune teorie, ma non ancora osservate neanche nei più potenti acceleratori.
Marco: Lo sapevo che ci sarebbero entrati anche gli acceleratori in questo discorso. Vede che il tunnel Gelmini non era poi così tanto fuori tema?
Prof: Lasciamo perdere! In realtà, contiamo molto su LHC (Large Hadron Collider) del CERN. Soltanto lì si potranno produrre particelle del tipo di quelle che gli scienziati pensano costituire la materia oscura e studiarle da vicino.
Marco: Non mi quadra ancora qualcosa. Se la Materia Oscura non è osservabile, come è stato possibile rilevarne la presenza?
Prof: Mi aspettavo la domanda:). Cerco di risponderti terra terra.
Se ipotizziamo di sommare la quantità di materia che vediamo nel cosmo, cioè quella che emette un qualche tipo di radiazione che ne indichi la presenza (stelle, galassie, nebulose, eccetera, eccetera), otteniamo la massa dell’universo. Peccato che il valore ottenuto…sia errato!
Marco: Perché errato?
Prof: Gli scienziati hanno constatato che le stelle e le galassie si muovono come se la quantità di materia presente nell’Universo fosse enormemente superiore a quella della materia “luminosa”.
Marco: Quanto superiore?
Prof: Secondo le stime degli scienziati, l’Universo sarebbe costituito per il 96% circa di Materia oscura + Energia Oscura.
Marco: Quindi noi staremmo nel misero, restante 4%? Non è possibile! Allora conosciamo veramente poco dell’Universo!
Prof: In effetti, è piuttosto imbarazzante ammettere che circa il 96% della massa dell’Universo ancora ci sfugge.
Tornando al “perché errato”, l’unico modo per cavarsi d’impaccio è pensare che nell’Universo ci sia materia sconosciuta che non emette luce: per questo noi non la vediamo e gli scienziati la chiamano “materia oscura”. Gli esperimenti di LHC potrebbero rivelarci l’esistenza di nuove particele pesanti e sfuggenti, alle quali attribuire la responsabilità di tutta questa materia che ci circonda, che c’è ma non si vede.
Marco: Penso di aver capito…Un’ultima domanda: che cos’è la lente gravitazionale?
Prof: Questo te lo vai a leggere qui.
Prima di passare all’immagine 3D del gigantesco filamento di materia oscura, da cui è derivato tutto l’ambaradan di cui abbiamo discusso, tengo a precisare, per correttezza di informazione, un’ultima cosa: gli scienziati pensano che accanto alla Materia Oscura esista una particolare forma di energia (nota come Energia Oscura), la quale, secondo il principio di equivalenza di Einstein (E = mc^2), è in grado di dar conto della maggior parte della massa dell’Universo. L’Energia oscura agirebbe come una gravità negativa, ovvero tenderebbe a far espandere l’Universo, contrapponendosi alla decelerazione, dovuta all’attrazione gravitazionale della materia ordinaria e della materia oscura.
Secondo la grande Margherita Hack : “ L´energia oscura è una delle ultime sorprendenti scoperte. Sappiamo che l´universo è in espansione. Sappiamo che la densità di materia (inclusa la materia oscura) non è sufficiente a frenare l´espansione così tanto da arrivare a una successiva fase di contrazione”.
Marco: Grazie, prof. Adesso sono pronto a comprendere la notizia che ho letto su Media Inaf.
Prof: Ah, già. Dimenticavo quasi…
Beh, adesso non dovrebbe essere difficile comprendere il significato dello studio pubblicizzato su Media Inaf.
In sostanza, un team di ricercatori, guidati da Mathilde Jauzac (Università di KwaZulu-Natal), ha analizzato un filamento di materia oscura dalle dimensioni gigantesche (almeno 60 milioni di anni luce di lunghezza) grazie al telescopio spaziale Hubble, ricostruendone una immagine 3D, ovvero tridimensionale. Un tipo di osservazione mai compiuta prima.
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| Credit: NASA, ESA, Harald Ebeling (University of Hawaii), Karen Teramura (University of Hawaii) |
Marco: La notizia è importante?
Prof: Direi di sì, dato che lo studio sarà pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Il gigantesco filamento è una parte della ragnatela cosmica che costituisce la struttura a grande scala dell’Universo. Il cluster analizzato è un residuo dei primi momenti successivi al Big Bang. La scoperta è stata possibile grazie alle osservazioni incrociate del telescopio spaziale Hubble , del Naoj’s Subaru Telescope, del Canada-France-Hawaii Telescope, combinati con i dati spettroscopici ottenuti grazie agli Osservatorii Wm Keck Observatory e Gemini.
Marco: La tecnologia attuale permette cose impensabili soltanto alcuni decenni fa, vero?
Prof: Proprio così! Grazie a tale tecnologia i ricercatori hanno potuto analizzare in modo eccezionalmente dettagliato le proprietà della struttura, ribattezzata MACS J0717.
Marco: Perché la scoperta è importante?
Prof: Secondo i ricercatori, se il filamento è rappresentativo di altre strutture di tale tipo, esse potrebbero nascondere oltre la metà di tutta la massa dell’universo. Non male, vero?
Marco: Accidenti! E’ fantastico:).
Prof: Sicuramente! C’è anche da aggiungere che tali filamenti, data la loro enorme estensione e diffusione, risultano estremamente difficili da individuare. Lo studio in 3D, poi, presenta ulteriori difficoltà. Infatti, per venirne a capo gli scienziati sono dovuti ricorrere alla tecnica delle lenti gravitazionali (cioè sfruttando il modo in cui la gravità della materia oscura distorce il cammino della luce verso la Terra).
Marco: Pazzesco! Devo leggere il post sulle lenti gravitazionali che mi ha indicato…
Prof: Sarebbe opportuno! Pensa che, per vedere il filamento di materia oscura, i ricercatori lo hanno cercato in prossimità degli ammassi galattici, e, per aggiungere l’effetto tridimensionale ai loro dati, hanno dovuto combinare immagini a colori e dati sulla posizione e sul movimento delle galassie, nascoste dal filamento, grazie alle misure delle loro velocità. In definitiva, un lavoro straordinario in direzione della comprensione della Materia Oscura e di quell’Universo ancora sconosciuto.
Che facciamo? Stoppiamo? Io sono piuttosto provata.
Marco: Sì stoppiamo, prof, anche se, in verità, avrei altre cose da chiederle.
Prof: Le tue domande sono inesauribili, benedetto ragazzo. Avremo modo di fare altre “chiacchierate”.
Marco: D’accordo, prof. Grazie della pazienza.
Prof: Prego…
Fonti per la stesura dell'articolo.
Wikipedia per i termini: Big Bang; Modello Standard; Materia oscura
Prof: Direi di sì, dato che lo studio sarà pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Il gigantesco filamento è una parte della ragnatela cosmica che costituisce la struttura a grande scala dell’Universo. Il cluster analizzato è un residuo dei primi momenti successivi al Big Bang. La scoperta è stata possibile grazie alle osservazioni incrociate del telescopio spaziale Hubble , del Naoj’s Subaru Telescope, del Canada-France-Hawaii Telescope, combinati con i dati spettroscopici ottenuti grazie agli Osservatorii Wm Keck Observatory e Gemini.
Marco: La tecnologia attuale permette cose impensabili soltanto alcuni decenni fa, vero?
Prof: Proprio così! Grazie a tale tecnologia i ricercatori hanno potuto analizzare in modo eccezionalmente dettagliato le proprietà della struttura, ribattezzata MACS J0717.
Marco: Perché la scoperta è importante?
Prof: Secondo i ricercatori, se il filamento è rappresentativo di altre strutture di tale tipo, esse potrebbero nascondere oltre la metà di tutta la massa dell’universo. Non male, vero?
Marco: Accidenti! E’ fantastico:).
Prof: Sicuramente! C’è anche da aggiungere che tali filamenti, data la loro enorme estensione e diffusione, risultano estremamente difficili da individuare. Lo studio in 3D, poi, presenta ulteriori difficoltà. Infatti, per venirne a capo gli scienziati sono dovuti ricorrere alla tecnica delle lenti gravitazionali (cioè sfruttando il modo in cui la gravità della materia oscura distorce il cammino della luce verso la Terra).
Marco: Pazzesco! Devo leggere il post sulle lenti gravitazionali che mi ha indicato…
Prof: Sarebbe opportuno! Pensa che, per vedere il filamento di materia oscura, i ricercatori lo hanno cercato in prossimità degli ammassi galattici, e, per aggiungere l’effetto tridimensionale ai loro dati, hanno dovuto combinare immagini a colori e dati sulla posizione e sul movimento delle galassie, nascoste dal filamento, grazie alle misure delle loro velocità. In definitiva, un lavoro straordinario in direzione della comprensione della Materia Oscura e di quell’Universo ancora sconosciuto.
Che facciamo? Stoppiamo? Io sono piuttosto provata.
Marco: Sì stoppiamo, prof, anche se, in verità, avrei altre cose da chiederle.
Prof: Le tue domande sono inesauribili, benedetto ragazzo. Avremo modo di fare altre “chiacchierate”.
Marco: D’accordo, prof. Grazie della pazienza.
Prof: Prego…
*****
Di seguito, la simulazione in computer grafica del cluster MACS J0717.
Fonti per la stesura dell'articolo.
Wikipedia per i termini: Big Bang; Modello Standard; Materia oscura
Astroparticelle, libretto ASI
Questo post va letto con molta calma e concentrazione
RispondiEliminaProf e ritornerò.
Ciao e bacio.
Cara Annarita, ho letto tutto con molta attenzione, anche se il post è lungo è interessante come lo presenti: il dialogo di fantasia aiuta ai meno competenti a comprendere meglio e a non stancarsi su di un argomento ostico, ma tanto appassionante.
RispondiEliminaLa materia oscura, quindi, farebbe espandere l'universo, in quanto materia negativa. Non sapevo e devo dire che questi concetti mi affascinano molto, grazie Annarita per questo post e per tutto il lavoro che svolgi.
Buona domenica, un grande abbraccio.
annamaria
Buongiorno, Rosaria. Hai ragione: il post va letto con molta calma.
RispondiEliminaUn bacione.
Annarita
Buongiorno Annamaria. Grazie di aver letto il post.
RispondiEliminaLa materia oscura è ancora sconosciuta. Stiamo studiando per conoscerla. L'espansione dell'universo, per quel che emerge dagli studi degli scienziati, sarebbe provocata dall'Energia oscura (non dalla materia oscura), che è proprio l'ultima frontiera della ricerca sulla comprensione dell'universo.
Tale Energia oscura, che sarebbe la responsabile di circa il 70% della densità dell'Universo, agirebbe come una gravità negativa, ovvero tenderebbe a far espandere l'universo, contrapponendosi alla decelerazione dovuta all’attrazione gravitazionale della materia ordinaria e della materia oscura.
Quello dell’Energia Oscura è un campo ancora tutto da esplorare, cui si sta dedicando un gran numero di cosmologi.
Un caro saluto.
Annarita
E brava la prof.
RispondiEliminaUn'altra bella chiacchierata con il simpatico Marco.
Certo che ve li andate proprio a pescare gli argomenti "tosti"!
Il risultato della chiacchierata è comunque ottimo: chiaro, comprensibile e molto gradevole nella lettura.
Ci sono le informazioni di base fondamentali per la comprensione dell'argomento e credo che anche chi non mastica di Fisica possa riuscire a soddisfare le proprie curiosità.
Emblematica è la domanda di Marco (che poi è quella che un po' tutti si saranno posti almeno una volta):"Se la Materia Oscura non è osservabile, come è stato possibile rilevarne la presenza?". Eccezionale nella sua semplicità la risposta che gli scienziati danno e che tu hai egregiamente riportato a Marco. Il fatto che la materia oscura non sia "visibile" (non emette luce), non vuol dire che non esiste. Come spesso accade, cambiando il punto di osservazione o misurando entità fisiche diverse ma collegate all'oggetto di studio, alcune incongruenze ci portano a farci la mitica domanda: "perché?". In pratica si è constatato che: "lo Scatolone Universo, complessivamente, pesa 1000 Kg. Dentro lo scatolone ci sono 10 oggetti che pesati singolarmente al di fuori dello scatolone, pesano complessivamente 40 Kg. Il che è strano visto che nello scatolone non c'è niente altro (di visibile). Come mai quando rimettiamo i 10 oggetti nello scatolone apparentemente vuoto, questi non pesano 40Kg (più una piccola tara che è il peso del cartone con cui è fatto lo scatolone) bensì 1000 Kg? La risposta può solo essere che c'è qualcosa di non visibile nello scatolone che pesa moooolto di più degli oggetti stessi. Cos'è questo qualcosa? Beh, un po' di pazienza, ci stanno lavorando e prima o poi ci faranno sapere".
Un salutone
Marco
PS:
domanda impertinente:
se lo scatolone con i 10 oggetti pesa 1000Kg, se i 10 oggetti fuori dallo scatolone pesano complessivamente 40Kg, quanto pesa lo scatolone da solo? (senza gli oggetti)
Cara Annarita, ho letto attentamente
RispondiEliminama già avevo visto una volta un documentario che parlava di questa materia oscura e sinceramente mi appassionò, ora la trovo qui da te che la spieghi a Marco e sinceramente Marco mi da l'impressione che anche lui somigli alla materia Oscura..scherzo..si capisce.
Con tutta la buona volontà ho tentato di capirci qualcosina anche perchè l'argomento è interessante ma niente da fare.
Però son sicura che l'universo ha tante cose che l'uomo ancora non vede e che dovrà scoprire.
Il nero del cielo forse nasconde agli occhi umani tanti segreti.
L'universo per espandersi deve per forza avere un'energia ancora sconosciuta all'umanità ..forse ho detto una sciocchezza e mi scuso.
Auguro alla scienza di scoprire questa massa oscura...e credo che prima o poi la scoprirà
Ricordo le parole della grande
RITA LEVI MONTALCINI: quando la scienza apre una porta difficilmente la chiude.
Annarita, queste tue conversazioni con Marco sono la fine del mondo, mi piacciono.
Ciao prof!
Bacione
Veramente bello il video prof ma che cosè la materia oscura in3D? a per rispondere alla domanda di marco dovrebbe pesare 960 kgspero che sia giusto un saluto a domani.
RispondiEliminaMarco, gli argomenti "belli tosti" sono quelli che più affascinano i ragazzi. Ed allora è meglio servirli su di un piatto d'argento.
RispondiEliminaTi ringrazio del feedback positivo.
Interessante la metafora dello scatole universo e del suo contenuto.
La tua domanda finale "impertinente" la giro ai miei ragazzi domani.
Fate però attenzione al fatto che L'universo non è uno scatolone e non pesa 1000 kg, come mi sembra abbia inteso Valeria, dalla lettura del suo commento.
Un salutone.
Annarita
Cara Rosaria, sei semplicemente encomiabile. Leggi sempre ogni mio post con curiosità ed interesse anche quando l'argomento trattato è ostico, come in questo caso.
RispondiEliminaAnche se non avrai compreso i dettagli dell'articolo, ne hai sicuramente inteso lo spirito e lo scopo. Hai, ad esempio, compreso perfettamente che L'Energia Oscura accelera l'espansione dell'universo....e non è poco.
Le parole della grande Rita Levi-Montalcini centrano perfettamente quello che è lo spirito della Scienza, e non poteva essere diversamente. Ti ringrazio di averle condivise nel commento.
Un abbraccio.
Veramente bello il video prof ma che cosè la materia oscura in 3D? a per rispondere alla domanda di marco dovrebbe pesare 960 kgspero che sia giusto un saluto a domani
RispondiEliminaValeria, dalla domanda che poni, deduco che hai guardato il video e letto il commento di Marco, ma penso che tu non abbia letto il post.
La domanda di Marco è una provocazione, che proviene dalla metafora dello scatolone-universo da lui proposta. Ma è una metafora, appunto, perché l'universo non è uno scatolone!!!!
Prova a leggere il post, magari un pochino alla volta e poi ne riparliamo.
A domani
Chiedo scusa a Valeria e a coloro a cui posso aver confuso un po' le idee. Come dice la prof, la mia era una metafora e la domanda impertinente voleva avere più lo scopo di riflettere su un concetto "laterale" riguardo alla materia oscura. Ma a questo punto è meglio che mi fermo altrimenti rischio di fare ancora di più confusione. Lascio alla prof il compito di chiarire e spiegare agli eventuali curiosi.
RispondiElimina(Aiuto Annarita!!!!!)
Un salutone
Marco
Non hai nulla di cui scusarti, Marco. Ci mancherebbe pure. La tua metafora è molto interessante e calzante.
RispondiEliminaMagari ce ne fossero ad avere la tua inventiva.
Mal comprende chi mal legge o non legge affatto...e Valeria probabilmente non avrà letto affatto.
Domani chiariremo in classe. Tu continua pure con le tue gradite proposte e i tuoi interventi sempre ad hoc.
Grazie.
Un salutone.
Annarita
Ciao Marco sono Valeria non ti devi scusare sono io che non ho capito il senso ciao
RispondiEliminail video e il post sono molto belli, a domani prof!!!:)
RispondiEliminaBene, Chiara!
RispondiEliminaA domani:)
Molto belli ed interessanti sia il video che il post ciao alunedì prof!!!:)
RispondiEliminaBrava ad aver letto Sara.
RispondiEliminaA lunedì!:)
Brava ad aver letto Sara.
RispondiEliminaA lunedì!:)
i SUOI POST PROF SONO SEMPRE MOLTO INTERESSANTI.
RispondiEliminaGRAZIE,A LUNEDI:)CIAO
Sono contenta del tuo apprezzamento, Catia.
RispondiEliminaA lunedì:)
La cosmologia “occulta” della materia oscura e dell’energia oscura deve andare a casa, e alla svelta.
RispondiEliminaCon un 95% e fischia di oggetti che non si vedono, l'Universo "ufficiale" ha infatti più a che fare con l’occultismo che con la razionalità.
MA COME SI FA A DAR FIDUCIA AD UN AMMINISTRATORE CHE È IN GRADO DI RENDER CONTO DI MENO DEL 5% DEL PATRIMONIO AMMINISTRATO, SENZA CONSIDERARLO POCO
COMPETENTE?
Mah, chi lo sa.
Ciao.
Leo.
http://rinabrundu.files.wordpress.com/2012/06/lavvocato-hubble-e-la-presunta-espansione-delluniverso.pdf