Qui vi racconto come si è arrivati a scoprire che l’Universo è pervaso da una materia oscura che non interagisce con i nostri atomi e che è 4 volte più grande di quella atomica (massa barionica). Ogni tanto qualche “leggenda metropolitana” attribuisce a Tizio o Caia la scoperta della materia oscura grazie a sue mirabolanti osservazioni. Ma il cammino per la scoperta di questa materia è stato molto lungo, e molti astrofisici l’hanno costruita mettendo ognuno un mattoncino anno dopo anno.
Dalla metà del ‘900 alcuni astronomi studiavano la rotazione delle stelle e delle nebulose gassose attorno al centro di massa delle galassie (la curva di rotazione). Per più di 40 anni, la dinamica delle galassie è stato l’argomento principale della ricerca di tanti astronomi, me compreso. Iniziato dalla coppia Goffrey e Margareth Burbidge, due grandi nomi dell’astrofisica, e da Kevin Prendergast, lo studio della curva di rotazione delle galassie permetteva di calcolare la loro massa. Anch’io ho iniziato così nel 1974, studiando la curva di rotazione delle galassie attraverso le righe degli elementi chimici del gas, visibili fino a una certa distanza dal centro della galassia sulle piccole lastre fotografiche che usavamo allora. Ma altri astronomi studiavano le galassie satelliti, in coppie o nei gruppi, misurandone le velocità di rotazione dell’intera galassia rispetto al centro di gravità del gruppo. Anche in questo caso si poteva calcolare la massa totale. Per capire che stelle cerano dentro, e quante nubi di gas, si confrontava la massa con la luminosità della galassia e questo “rapporto massa/luminosità” appariva inizialmente di poche unità nelle galassie con la Via Lattea o quella di Andromeda. Ma confrontando la massa e la luminosità delle galassie singole, poi in coppie, in gruppi sempre più numerosi appariva una cosa strana: il rapporto massa/luminosità era tanto più grande quanto più grande era il gruppo studiato. Questo voleva dire che c’era tra le galassie della materia non visibile.
Come è stato detto in un altro post di “Schegge di Cosmologia” l’astronomo Karachentev in uno studio di galassie in gruppi pubblicato nel 1965 aveva fatto l’ipotesi che questo eccesso di massa rispetto alla luminosità fosse causato da “materia oscura” o “materia invisibile”, ma aveva scartato questa ipotesi perché la quantità di materia oscura “… sarebbe così grande da eccedere la massa delle stelle”. Una spiegazione alternativa era che le velocità fossero così grandi perché i gruppi di galassie erano instabili e in espansione. Karachentsev scriveva sulla rivista in lingua russa Astrofizika che veniva tradotta in inglese dopo un anno e che veniva regolarmente ignorata dalla letteratura scientifica anglosassone. Perciò le sue ipotesi restarono per lo più ignote. Nel 1964 i radioastronomi Burke, Turner, and Tuve avevano pubblicato la curva di rotazione della grande galassia di Andromeda, M31, dalla radiazione dell’idrogeno neutro a 21 cm di lunghezza d’onda. Nel campo ottico Vera Rubin e Kent Ford nel 1970 avevano confrontato la loro curva di rotazione del gas ionizzato con quella a 21cm trovando che la rotazione restava abbastanza costante nella parte esterna, e negli stessi mesi lo studio di M31 a 21 cm di Gottesman e Davies mostrava una simile curva “piatta”.
Purtroppo nessuno di loro si era reso conto che, se la massa aumenta e la luminosità diminuisce in una galassia, vuol dire che esiste una materia oscura; che estendendo l’osservazione ai gruppi di galassie come aveva fatto Karachentsev questa materia oscura aumentava, essendo diffusa in tutto l’Universo, all’interno e all’esterno delle galassie. Se ne accorge il gruppo formato da Rood, Rothman e Turnrose, che sempre nel 1970 usano il termine “massa mancante” (missing mass). L’idea che ci fosse una materia di natura ignota non fatta da normali atomi e che non emette radiazione elettromagnetica ma ha solo forza di gravità sembrava così “eretica” che nessuno l’aveva ipotizzata. Per diversi anni, pur di non affrontare l’ipotesi di qualcosa che non si conosce, si dibatteva se la “massa mancante” (missing mass) e gli “aloni oscuri” intorno alle galassie fossero stelle morte, pianeti, gas così freddo da non essere visibile neppure nelle onde radio, o altro.
Bisogna arrivare agli anni 80 perché si inizi a parlare di materia oscura come fatta da particelle esotiche (neutrini pesanti, particelle WIMP o altro) e uscire dall’idea che possa far parte della materia studiata fino a quegli anni. A quel punto entra in scena la Cosmologia e si cerca di comprendere quali altri effetti abbia prodotto il Big Bang. L’idea di materia oscura cosmica era diventata popolare tra gli astronomi, come scrive Peebles nel 1984. L’osservazione di lenti gravitazionali fatte dagli ammassi di galassie lontane ha permesso di calcolare la massa di questi sistemi ottenendo valori di materia oscura molto alti. E a questo punto sono entrati in scena i fisici delle particelle, e sono state fatte moltissime ipotesi sulla materia oscura, arrivando ad affermare che essa costituisce una massa 4 volte più grande di quella fatta dai barioni (protoni, neutroni, elettroni, ecc.). E quindi la storia non finisce qui.
Figura: Una lente gravitazionale. Un ammasso di galassie con la sua enorme massa distorce lo spazio-tempo, amplifica e deforma l’immagine di galassie più lontane. L’intensità e la forma di queste lenti gravitazionali sono una prova ulteriore della presenza di materia oscura.
