La materia oscura, un complice necessario

La teoria della relatività generale ci ha costretti a rivedere i nostri concetti di spazio e di tempo. Lo spazio si contorce e si curva in prossimità della materia. Oggi possiamo dire che la Terra non gira intorno al Sole perché tirata dalla forza di gravità, ma perché sta andando dritta in uno spazio che si incurva. La stessa teoria ci insegna che una stella si spegne quando ha bruciato tutto il suo idrogeno. Quello che rimane, non più sostenuto dal calore della combustione, implode schiacciato dal suo stesso peso per formare un buco nero.

Sappiamo anche che non solo lo spazio si incurva ma anche il tempo si comporta in maniera diversa in prossimità della materia. Esso scorre più velocemente lontano dalle masse e più lentamente vicino ad esse. Tutto questo potrebbe sembrare il delirio di un pazzo ma è tutto rigorosamente misurato e comprovato sperimentalmente. Inoltre le equazioni di Einstein indicano che l’Universo deve espandersi, cosa effettivamente osservata nel 1930. La relatività generale predice che l’espansione è stata provocata da una esplosione iniziale: il famoso Big Bang. La misura della radiazione cosmica di fondo è una prova delle correttezza di questa previsione. Inoltre la teoria indica che lo spazio si increspi come le onde del mare e queste onde gravitazionali sono state effettivamente osservate e anch’esse combaciano con la predizione della teoria di Einstein.

Se in questa trama di galassie si cerca di seguire la velocità di espansione dell’Universo, ci si accorge di una anomalia sorprendente. Considerando la velocità di espansione delle galassie si è dovuta ipotizzare l’esistenza di materia non visibile né, per il momento, rivelabile, almeno qualche centinaio di volte più abbondante di quella visibile, che tenga insieme l’immensa struttura dell’universo. I grandi oggetti visibili nell’Universo si comportano come se fossero circondati da un’enorme quantità di materia, la cosiddetta “materia oscura“. Già nei primi anni 30 l’astronomo svizzero Fritz Zwicky, si rese conto per primo del problema della massa mancante osservando l’ammasso di Galassie della costellazione della chioma di Berenice. Egli comprese che la velocità di queste galassie era troppo elevata e che l’attrazione gravitazionale di tutte le stelle, pianeti e gas presenti non era sufficiente per contrastare la loro velocità. Ipotizzò quindi che ci dovesse essere dell’ulteriore materia, almeno qualche centinaio di volte più abbondante di quella visibile dal telescopio, che teneva insieme l’immensa struttura. Da allora il problema di dare una risposta a come è fatta la materia oscura è diventato insoluto fino ad oggi.

Forse la materia oscura è formata semplicemente da una sostanza ordinaria difficile da vedere a causa della luce troppo flebile per poter essere rilevata. O forse essa è fatta di materia diversa da quella a noi conosciuta. Ma tutte le nozioni che abbiamo oggi sulla materia, derivanti dalla meccanica quantistica, non ci forniscono nessuna spiegazione definitiva né sulla sua natura né sulla sua origine. Sappiamo soltanto che le galassie sembrano legate tra loro da questa misteriosa materia oscura e che essa è un complice necessario per spiegare la stabilità dell’universo.

Oggi disponiamo anche di una “mappa” della distribuzione della materia oscura nell’universo sulla base di osservazioni fatte con il telescopio spaziale Hubble su circa mezzo milione di galassie. Da questo risulta che essa non è distribuita in modo casuale ma è raggruppata in enormi agglomerati. Essa sembra formare una sorta di struttura portante su cui osserviamo la presenza di materia ordinaria. Le galassie sembrano quindi legate tra loro da immensi filamenti di materia oscura come fossero dei ponti di collegamento. Alcuni cosmologi ipotizzano che all’inizio della storia dell’universo formava una specie di armatura sulla quale si è successivamente formata quella ordinaria. Sembrerebbe come se quest’ultima galleggi sopra la materia oscura e si comporti come la punta emergente di un iceberg.

Si è stimato che circa il 4% di tutto quello che compone l’universo (sia materia che energia) è composto da oggetti a noi noti e cioè spiegabili con le conoscenze a nostra disposizione. La materia oscura, qualunque cosa essa sia, rende conto di un altro 22% e il resto è composto di “energia oscura” e cioè di un campo di forze che pervade tutto lo spazio, che crea una forza repulsiva che causa l’espansione dell’universo. Einstein fu il primo a ipotizzarne l’esistenza. Dal 1989 in poi ci si rese anche conto, osservando supernove lontane, che l’espansione dell’universo sta accelerando usando come marcatori della velocità di espansione regioni remote dell’universo. Oggi l’esistenza di questa energia oscura che spinge le galassie ad allontanarsi le une dalle altre è un’ipotesi largamente accettata.

Non possiamo negare che la nostra ignoranza è grande in questo campo così affascinante e fondamentale. Quando Hubble, nel 1920, capì che l’universo è enormemente più grande della singola galassia, forse fu il trionfo definitivo della visione copernicana. Gli esseri umani e le loro faccende furono definitivamente retrocessi alla periferia della creazione. La scoperta della materia e dell’energia oscura spinge il “nostro Mondo” ancora più ai margini di ciò che sembra importante. Non solo il nostro piccolo pianeta ruota attorno al sole, non solo la via lattea è una dei tanti milioni di galassie esistenti, ma si scopre anche che queste sono fatte di un tipo di sostanza secondaria che non è che un’aggiunta alla parte più numerosa e misteriosa dell’universo.

 Nicola Sparvieri

Foto © INFN-LNGS