L’oscurità che ci unisce

11 anni fa

13 minuti

Con un ritardo pauroso -roba che neanche trenitalia- ritorna Curiosità Spaziali!
Se non avete ancora letto il titolo dell’articolo questa volta si parla di materia ed energia oscura.

Ma cosa sono la materia e l’energia oscura?
In una parola? Booooh.
I termini materia oscura ed energia oscura sono dei segnaposto.
Gli astrofisici non sanno quasi niente su di loro. Non sanno neanche se la MO sia della vera e propria materia oppure no. E lo stesso vale per la EO.
Per quanto se ne sa una potrebbe essere un tipo particolare di panna montata e l’altra l’elettricità immaginaria che l’Enel ti addebita sulla bolletta in surplus.
Ma andiamo con ordine.

Materia oscura


La materia oscura è della materia(?) la cui esistenza viene dedotta dagli effetti gravitazionali che ha sulla materia visibile e sulla radiazione di fondo. Non è osservabile con nessun altro metodo dato che non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica.
Non emette luce, non emette raggi x, non emette un benemerito cazzo niente.
E’ più oscura del più oscuro buco nero.
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La sua esistenza è stata ipotizzata per spiegare le discrepanze rilevate tra le misurazioni della massa di galassie, ammassi di galassie e l’universo intero effettuate attraverso strumenti basati sulle meccaniche dinamiche e relativistiche, e le misurazioni in funzione della “materia luminosa” che questi oggetti contengono: stelle, gas e la polvere interstellare e intergalattica.
Probabilmente è composta da particelle massive debolmente interagenti e molto fredde, o da molti buchi neri primordiali con una massa compresa tra le 30 e le 300 mila masse solari. O da entrambi.

Secondo le osservazioni più recenti la materia oscura costituisce il 23% dell’intero universo osservabile (prendendo in considerazione sia la materia fisica che l’energia). In confronto, la materia “ordinaria” ne rappresenta solo il 4,6%, mentre il resto è attribuibile all’energia oscura.
Considerando queste cifre possiamo desumere che la materia oscura costituisce l’83% della materia nell’universo, e solo il 17% è formato dalla materia “normale”.

La materia oscura è stata postulata da Fritz Zwicky nel 1934 per tenere conto della “massa mancante” nelle velocità orbitali degli ammassi di galassie. Successivamente altre osservazioni hanno indicato la presenza di materia oscura nell’universo:
_ Studiando la velocità di rotazione delle galassie si è visto che molte non rispettano la terza legge di Keplero.
_L’osservazione di lenti gravitazionali quando non ci dovrebbe essere abbastanza materia per causarle. come con la Bullet Cluster citata nel video.
_La distribuzione della temperatura dei gas caldi in galassie e ammassi di galassie, che non rispetterebbe le leggi della termodinamica se prendessimo in considerazione solamente la materia visibile.

La materia oscura gioca un ruolo centrale nella formazione della struttura e nell’evoluzione delle galassie, e ha effetti misurabili sulle anisotropie osservate nella radiazione cosmica di fondo.
Tutte queste prove suggeriscono che le galassie, gli ammassi di galassie e l’universo intero contengono una quantità di materia oscura decisamente superiore a quella che interagisce con la radiazione elettromagnetica. La maggior parte della materia oscura non è solo “dark”, ma anche, per definizione, completamente trasparente.
Per quanto importante sia importante il suo ruolo nel cosmo, la prova diretta della sua esistenza, o meglio, una comprensione quanto meno concreta della sua natura non è stata ancora raggiunta.

Anche se la teoria della materia oscura rimane quella più largamente accettata per spiegare le anomalie osservate in rotazione galattica, alcuni approcci teorici alternativi sono stati sviluppati, generalmente collegati alla modifica delle leggi gravitazionali e alla gravità quantistica.

Barionica o non barionica?
Una piccola parte della materia oscura potrebbe essere barionica. Ovvero corpi astronomici, come gli oggetti compatti massicci di alone (o Macho), che sono composti di materia ordinaria, ma che emettono poca o nessuna radiazione elettromagnetica.

La maggior parte della materia oscura nell’universo si crede essere non barionica, e quindi non formato da atomi. Si pensa anche che non interagisca con la materia ordinaria attraverso le forze elettromagnetiche, in pratica, le particelle di materia oscura non hanno carica elettrica.
La materia oscura non barionica comprende neutrini e, probabilmente, entità ipotetiche come assioni,o particelle supersimmetriche. A differenza della materia oscura barionica, la materia oscura non barionica non contribuì alla formazione degli elementi nell’universo primordiale e così la sua presenza si rivela solo attraverso la sua attrazione gravitazionale.
Inoltre, se le particelle di cui è composta sono supersimmetriche, possono subire delle interazioni di annientamento producendo dei sotto-prodotti osservabili, come i fotoni e i neutrini.

Ci sono tre ipotesi principali che tentano di descrivere la materia oscura non barionica, chiamate Hot Dark Matter (HDM), Warm Dark Matter (WDM), e Cold Dark Matter (CDM). Si è ipotizzato che possa esistere anche una combinazione di queste tre.

Come è fatta la materia oscura?
Una proprietà importante di tutta la materia oscura è che si comporta come, ed è modellata come, un fluido perfetto, nel senso che essa non ha alcuna resistenza interna o viscosità.
Questo significa che le particelle di materia oscura non interagiscono tra di loro (se non per mezzo gravità), ossia si muovono l’una accanto all’altra senza mai urtarsi o collidere.

Dal 2005, quando l’IceCube Neutrino Observatory iniziò a fornire dei dati anche se ancora in fase di costruzione, una nuova luce ha cominciato a svelare la reale composizione della materia oscura.
Nel 2011, con il completamento della costruzione dell’esperimento IceCube, un flusso ancora più completo di dati è arrivato agli astrofisici.

Nel 2006, IceCube aveva già indicato che la materia oscura era probabilmente composta da particelle WIMP, axini, assioni, gravitini, neutrini e neutralini, ma con assioni, neutralini e WIMP come candidati più probabili.

Nel 2009, IceCube aveva esteso i limiti inferiori di neutralini, eliminando così le masse degli axini, ma mantenendo i WIMP come possibili costituenti primari della materia oscura. Tuttavia, i dati accumulati avevano già cominciato ad escludere i neutralini.

Nel 2011, con la costruzione di IceCube finalmente ultimata, la possibilità della presenza dei neutralini è stata eliminata. Rimangono solo i WIMP come ipotesi principale.
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Energia oscura


L’energia oscura è una ipotetica forma di energia che permea tutto lo spazio e tende ad aumentare il tasso di espansione dell’universo. L’energia oscura è la teoria più accettata per spiegare recenti osservazioni ed esperimenti legati al fatto che l’universo sembra essere in espansione.
Nel modello standard della cosmologia, l’energia oscura rappresenta attualmente il 73% del totale della massa-energia dell’universo.
Ci sono due teorie principali atte a spiegare l’energia oscura: la costante cosmologica, una costante densità di energia di riempimento dello spazio omogeneo, e i campi scalari come la quintessenza, nei quali la densità di energia può variare nel tempo e nello spazio.
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La costante cosmologica è fisicamente equivalente all’energia del vuoto.
I campi scalari, che cambiano nello spazio, possono essere difficilii da distinguere dalla costante cosmologica perché il cambiamento potrebbe essere troppo lento.
Quindi è necessariauna misurazione molto precisa dell’espansione dell’universo per poterne determinane il tasso di espansione.
Nella relatività generale, l’evoluzione del tasso di espansione è parametrizzato dall’equazione di stato cosmologica (il rapporto tra temperatura, pressione, e l’insieme di materia, energia ed energia del vuoto per ogni regione di spazio). Misurare l’equazione di stato dell’energia oscura è uno dei più obiettivi per l’astrofisica.

Una recente indagine su più di 200.000 galassie sembra confermare l’esistenza dell’energia oscura, anche se la fisica esatta dietro di essa rimane sconosciuta.

Qual è il suo ruolo nell’universo?
Non è ancora chiara la natura di questa energia.
E’ nota per essere molto omogenea, non molto densa e interagisce solo attraverso la gravità. Dato che non è molto densa, circa 10^-29 grammi per centimetro cubo, è difficile immaginare esperimenti per rilevarla in laboratorio. L’energia oscura ha un impatto così profondo sull’universo perché riempie uniformemente uno spazio altrimenti vuoto.
Ma in sostanza che effetto ha sull’universo?
Semplice, lo sta espandendo.

I cosmologi stimano che l’accelerazione dell’universo sia iniziata circa 5 miliardi di anni fa. Prima di ciò, si ritiene che l’espansione fosse in decelerazione, a causa dell’influenza attrattiva della materia oscura e di quella ordinaria.
La densità della materia oscura in un universo in espansione diminuisce più rapidamente rispetto all’energia oscura, mettendo in una posizione di dominio quest’ultima.
In particolare, quando il volume dell’universo raddoppia, la densità della materia oscura è dimezzata, ma la densità dell’energia oscura è pressoché invariata (è esattamente costante nel caso di una costante cosmologica).

Se l’accelerazione continua indefinitamente, il risultato finale sarà che le galassie al di fuori del superammasso locale avranno una velocità radiale che aumenta continuamente nel tempo, raggiungendo una velocità di gran lunga superiore alla velocità della luce.
Questa non è una violazione della relatività speciale, perché il concetto di “velocità” usato qui è diverso da quello di velocità in un sistema inerziale di riferimento locale, in cui ogni oggetto massiccio è costretto ad essere più lento della velocità della luce.

Poiché il parametro di Hubble sta diminuendo con il tempo, ci possono essere casi in cui in realtà una galassia che si sta allontanando da noi ad una velocità superiore a quella della luce riesce ad emettere un segnale in grado di raggiungerci.
Tuttavia, a causa della espansione in accelerazione, si prevede che la maggior parte delle galassie finiranno per attraversare una sorta di orizzonte degli eventi dove ogni luce che emettono oltre quel punto non sarà mai in grado di raggiungerci in qualsiasi momento del futuro, perché la luce non raggiunge mai un punto in cui la sua “velocità peculiare” verso di noi supera la velocità di espansione.

Supponendo che l’energia oscura è costante (una costante cosmologica), la distanza attuale di questo orizzonte degli eventi è di circa 16 miliardi di anni luce, il che significa che un segnale di un evento che accade nel passato sarebbe in grado di raggiungerci se tale evento era a meno di 16 miliardi di anni luce di distanza, ma il segnale non potrebbe mai raggiungerci se è accaduto a più di 16 miliardi di anni luce di distanza.
Possiamo stabilire la distanza di questi eventi grazie all’effetto doppler, che non viene influenzato dall’energia oscura.

Ci sono alcune idee molto catastrofiste alla Giacobbo speculative sul futuro dell’universo. Si pensa che l’energia “fantasma” causi un’espansione divergente, il che comporta che la forza effettiva dell’energia oscura continuerà a crescere finché non prevaricherà tutte le altre forze dell’universo. In questo scenario, l’energia oscura farebbe a pezzi tutte le strutture gravitazionalmente legate ad essa, quali le galassie e i sistemi solari, ed eventualmente supererà le forze elettriche e quelle nucleari distruggendo gli stessi atomi, portando l’universo ad una situazione chiamata Big Rip.

D’altra parte, l’energia oscura potrebbe dissiparsi con il tempo, o addirittura convertirsi in una forza di attrazione.
Tali incertezze lasciano aperta la possibilità che la gravità potrebbe ancora governare il cosmo e portare ad un universo che si contrarrà su se stesso in un Big Crunch.
Alcuni scenari, come il modello ciclico, suggeriscono che questo potrebbe essere il caso. Anche se queste idee non sono supportate da osservazioni, non sono escluse. Le misure di accelerazione sono cruciali per determinare il destino ultimo dell’universo nella teoria del Big Bang.
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Perché gli astrofisici sono così ossessionati dall’energia/materia oscura?
Gli astrofisici non sono ossessionati da esse, altrimenti non esisterebbero teorie alternative come la Gravità quantistica o il Dark side fluid.
Ma pensate a questo semplice fatto:

La materia e l’energia oscura costituiscono più del 90% dell’universo.

Finora gli scienziati si sono scervellati nel capire e spiegare i misteri delle stelle, delle galassie e dei pianeti. E poi scoprono che sono solo una piccolissima parte di quello che forma in realtà l’universo.
Capire cosa sono in realtà questi misteri oscuri ci porterebbe a vedere da un punto di vista completamente diverso tutte le scoperte fatte fino ad oggi.

Certo, le probabilità che queste teorie siano sbagliate sono molto alte.
Potremmo avere ragione, oppure no. Oppure potrebbe avere ragione Giacobbo.
L’importante è arrivare fino in fondo a questo mistero e cercare di risolverlo.

The Dark Side of the Universe
Nell’approfondimento troverete i vari link per un documentario sull’energia/materia oscura.
Avvincente da vedere e con un linguaggio a prova di idiota.
Enjoy it!
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Seconda parte
Terza parte
Quarta parte
Quinta parte
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Link
Dark Matter
Dark Energy
Dark Matter by Martin White
Nasa
Articoli abbastanza tecnici per i più coraggiosi 1 | 2 | 3

Ricordo che in questo thread potete suggerirmi le tematiche per i prossimi articoli.

[Curiosità Spaziali] è la rubrica di Lega Nerd sulle curiosità e notizie riguardanti spazio e astronomia.

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