venerdì 31 luglio 2015

La Materia Oscura: cos'è e perché se ne parla?

Ciao a tutti amanti della fisica! 
Vorrei inaugurare questo blog cercando di mettere un po' di chiarezza su un argomento davvero poco compreso: la materia oscura. Probabilmente alcuni di voi ne avranno già sentito parlare, ma purtroppo si fa davvero fatica a trovare una spiegazione dell'argomento dettagliata e al contempo comprensibile. È un peccato, perché davvero non c'è niente di difficile e non è necessario risolvere alcun conto per capire i risultati. Ma andiamo con ordine...

Da dove salta fuori la materia oscura?
Innanzitutto vediamo un po' di inquadrare il problema:
La necessità di introdurre nella fisica moderna questa strana sostanza nasce dall'osservazione del moto delle stelle ai margini della nostra Galassia. Cosa ci aspetteremmo? Beh, sappiamo che tutte le stelle della Galassia sono soggette a una certa forza gravitazionale che le tira disperatamente verso il suo centro. Tuttavia non vediamo nessuna stella risucchiata dalla forza di gravità, e questo non avviene esclusivamente perché ogni galassia è in rotazione. Un po' come quando fate la lavatrice: durante la centrifuga tutti i panni sono spinti (dalla forza centrifuga appunto) verso le pareti dell'apparecchio. Allo stesso modo le stelle, come i vestiti sporchi, sono spinte verso l'esterno della galassia dalla rotazione. Dato però che non vediamo nessuna stella schizzare via dalla Via Lattea deduciamo che forza gravitazionale (che tira verso il centro della galassia) e forza centrifuga (che invece spinge i corpi celesti nello spazio profondo) si bilancino perfettamente.

Ok, arriviamo al punto!
Abbiamo detto che forza centrifuga e forza gravitazionale sono uguali in questo caso. Il fatto è che noi possiamo calcolare esattamente la forza centrifuga che agisce su ogni singola stella che osserviamo (basandoci sulla sua velocità e sulla sua distanza dal centro di rotazione essenzialmente), mentre calcolare la forza gravitazionale è più complicato: bisogna calcolare tutta la massa presente tra l'orbita della stella in questione e il centro della galassia. Dopo un po' di fatica riusciamo a farlo, e cosa troviamo?
Scopriamo che la massa, e quindi la forza gravitazionale, non è sufficiente a trattenere le stelle. Ovvero non riusciamo a capire come mai le stelle non siano tutte schizzate via dalla Via Lattea! Bel problema, no? É un po' come se all'interno della Galassia fosse presente della massa che non riusciamo a vedere, e che per questo chiamiamo materia oscura (da non confondere con energia oscura, buchi neri e antimateria, di cui certamente parleremo in futuro). Quel che è peggio è che si tratta di un fenomeno tutt'altro che trascurabile: pensate che per spiegare l'effetto osservato siamo portati a credere che la materia oscura costituisca il 90% della massa totale dell'Universo!

Quello che ci aspettiamo è più o meno questo, ma la figura non è in scala. La Galassia dovrebbe essere un puntino!







Come si risolve il dilemma?
Vediamo allora quello che gli astrofisici si sono inventati per venirne a capo (ci sono voluti trent'anni di dibattiti per mettere d'accordo la maggior parte di loro!). Fondamentalmente esistono 3 spiegazioni (beh, ne esistono parecchie, ma quelle principali sono 3). Vediamole una a una:

Teorie MOND (Modified Newton Dynamics):
Un nome così non promette nulla di buono... Quello che prevedono questo tipo di teorie è che la seconda legge di Newton sia sbagliata.
già questo basterebbe a farvi sentire male se siete dei veri fisici. Voglio dire, la seconda legge della dinamica! Su cui si basa praticamente tutta la meccanica classica!
F=ma
Dopo secoli di calcoli salta fuori che è sbagliata???
Newton si sta rivoltando nella tomba
No, piano, mettiamo le cose in chiaro: non è esattamente questo che dicono le teorie MOND, ma solo che anche in assenza di forze c'è una piccolissima accelerazione. Piccolissima, ma sempre presente. Vi sembrerà assurdo, ma questo è sufficiente a spiegare perché le stelle non schizzano via, e al contempo i sostenitori di queste teorie si salvano proclamando che si tratta di una variazione piccolissima della legge di Newton, e quindi praticamente impossibile da misurare in laboratorio. Il fatto è che, se davvero fosse presente un'accelerazione in assenza di forze totali (come nel nostro caso, dato che forza gravitazionale e centrifuga si annullano), riusciremmo di fatto a spiegare perché le stelle si muovono con una certa accelerazione senza che ci sia alcuna forza a spingerle. Le teorie MOND non prevedono quindi nessuna massa aggiuntiva, ma una modifica nelle leggi che regolano il mondo. Non ci sarebbe quindi alcun bisogno di introdurre la materia oscura!
Scherzi a parte, si tratta di teorie valide, ma molto difficili da corroborare (ovvero difficili da testare in laboratorio). Ecco perché, personalmente, non mi fanno impazzire... Ma passiamo a qualcos'altro.

WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles):
Caspita, di nomi normali proprio non ce ne sono! Vediamo di che si tratta! In sostanza supponiamo che la galassia (o più in generale vaste zone di Universo, in cui si sono poi formate le galassie) sia pervasa da moltissime particelle, chiamate WIMP. Queste potrebbero interagire col resto della materia solamente attraverso la gravità e l'interazione debole (di cui parlerò certamente in un altro articolo, per ora basti sapere che l'interazione debole agisce solo tra corpi distanti al massimo un miliardesimo di milionesimo di millimetro, e quindi non ha voce in capitolo su scale galattiche).
  Il fatto è che queste WIMP sono particolarmente difficili da rilevare, e non interagiscono nemmeno con la luce, il ché spiega perché di notte non vediamo una nube opaca di particelle al posto delle stelle. Il modello è perfetto per spiegare quello che osserviamo, perché le WIMP spiegherebbero dove sta tutta quella massa mancante che ci genera il resto della forza gravitazionale. (Ricordate? Noi sappiamo che forza centrifuga e gravitazionale devono essere uguali, ma non capiamo cos'altro genera quella gravità oltre alle stelle che vediamo) In altre parole, stiamo supponendo che tutta la massa “mancante” sia costituita da queste WIMP. Il modello è consistente e sono all'attivo diversi esperimenti che cercano di rilevarle, per quanto arduo! (mentre scrivo l'articolo, alcuni di questi esperimenti sono attivi anche ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso) 
 Rimane però un problema: queste particelle non hanno motivo di esistere se non per spiegare questo fenomeno. Il Modello Standard, ovvero la più affermata (e testata!) teoria di fisica delle particelle non prevede l'esistenza delle WIMP. Se venissero rilevate dovremmo estendere ad hoc la fisica delle particelle, in modo da inglobare anche queste ultime. Questo è il motivo per cui le ricerche si intensificano sul terzo candidato per spiegare la materia oscura...

ASSIONI:
E siamo finalmente arrivati ai miei candidati preferiti! In linea di principio vale tutto ciò che è stato detto sulle WIMP, con due differenze sostanziali. Innanzitutto gli assioni non interagiscono tramite l'interazione debole, ma solo gravitazionalmente e, anche se molto debolmente, con l'interazione elettromagnetica (non preoccupatevi se non vi è chiaro questo punto. Ci torneremo sicuramente in altri articoli, ma non è importante a meno che non vogliate mettervi a rilevare assioni, e vi garantisco che non è una passeggiata!). La seconda differenza con le WIMP, e il motivo per cui gli assioni sono così ricercati, è che sia il Modello Standard che la Teoria delle Stringhe (altra teoria molto in voga, complicatissima) postulano l'esistenza dell'assione per spiegare alcuni problemi. Il Modello Standard, per esempio, spiega attraverso queste particelle come mai nel nostro Universo c'è così poca antimateria (purtroppo essendo al primo articolo devo continuare a rimandare la trattazione di argomenti sicuramente interessanti!). Insomma, se effettivamente riusciamo a rilevare gli assioni possiamo prendere due piccioni con una fava e spiegare due fenomeni con una sola particella!


Il problema è che nessuna di queste 3 teorie è stata ancora testata in laboratorio: le MOND prevedono variazioni nella legge di Newton troppo piccole per essere misurate con la nostra tecnologia, mentre WIMP e assioni sono così sfuggenti da richiedere molti sforzi per essere rilevati (sempre se esistono ovviamente!).
Conclusioni
In definitiva, non siamo ancora in grado di spiegare il fenomeno, anche se siamo probabilmente sulla strada giusta. Personalmente ho scritto la mia tesi di laurea sul rilevamento di una di queste particelle (indovinate quale:-D), e posso garantirvi che potremmo stare qui a parlarne per molte ore senza toccare due volte lo stesso argomento. Si tratta di un campo davvero interessante, ma anche molto vasto. Per questo motivo probabilmente ritornerò sul tema prima o poi, magari dopo aver trattato qualche nozione in più!
Spero che questo primo articolo sia stato per voi piacevole, istruttivo, ma sopratutto chiaro. Resto a disposizione per chiarire eventuali dubbi nei commenti, ogni suggerimento o correzione è ben accetta!

Grazie per aver letto fin qui,

Giulio




6 commenti:

  1. Anche se preferrisco l'idea della materia oscura e concordo con te che gli assioni siano meglio delle WIMP, non capisco perchè così pochi fisici diano importanza alle MOND. Voglio dire: il fatto che Newton abbia sbagliato non è una novità (vedi relatività e meccanica quantistica) e poi segue il rasoio di Ockham per il fatto di non assumere l'esistenza di una così grande quantità di materia. Però effettivamente dal punto di vista matematico non è per niente elegante :)

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  2. Ciao Marco,
    grazie per il commento! Personalmente non penso che sia giusto dire che Newton ha sbagliato. Le sue leggi continuano a valere in prima approssimazione:-D Il problema delle MOND è che sono molto difficili da testare in laboratorio perché la variazione dal Secondo Principio della Dinamica sarebbe davvero minima e avremmo risultati apprezzabili solo su scale Galattiche. Non è che non siano prese in considerazione, ma semplicemente non riusciamo ancora ad avere quel livello di sensibilità strumentale che serve per corroborarle.

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  3. Ciao Giulio,
    Le teorie MOND sembrano comunque molto affascinanti, spero che in un articolo successivo tratterai della loro compatibilità con principi quali la conservazione dell'energia, del momento angolare ecc, che ad un primo pensiero potrebbero avere qualche problema o perlomeno non valere più ad approssimazioni alte?
    Inoltre sarebbe interessante sapere come si tratta la diversa fenomenologia dell'accelerazione e della forza! Una teoria MOND ci potrebbe dire qualcosa di molto profondo sulla Natura.

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    1. Ciao Francesco,
      grazie per il commento! Fai bene a sollevare il problema della compatibilità tra le MOND e le leggi di conservazione. Immagino che ci siano delle estensioni da fare... Ad esempio, è evidente che se un corpo accelera la sua energia cinetica non è costante. Se poi quest'energia non gli viene fornita dal lavoro di una forza esterna viene naturale chiedersi da dove la prenda! Tuttavia il Principio di Conservazione dell'Energia non è a priori violato: quell'energia potrebbe essere comunque già presente nel sistema sotto altre forme (energia termica, energia di massa,...). A tal proposito ti invito a leggere un post sull'energia che uscirà tra non molto (è già stato scritto). Discorso simile per momento angolare e altre quantità conservate. Immagino che a quel punto la spiegazione vari a seconda della teoria MOND in questione, ma non ho mai approfondito il campo.
      Hai ragione quando dici che queste teorie potrebbero portare con sè significati molto profondi, ma resta da vedere se siano verificabili o no allo stato attuale della ricerca! Per il momento si tratta ancora di pura speculazione. In futuro si potrebbe comunque prendere una qualche teoria MOND in particolare e dedicarci un intero articolo, grazie per il suggerimento!

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  4. Ciao Giulio

    Ho letto il tuo articolo e ho alcuni appunti da farti.

    In primis mi complimento per la tua chiarezza espositiva: gli argomenti trattati non sono troppo complicati ma nemmeno di immediata compresione, nonostante questo l'articolo (per un profano della materia) scorre senza troppi tentennamenti. Non è certo difficile cogliere la passione che hai per ciò di cui parlando, il che è sicuramente un punto a favore per trasmettere la stessa passione ai lettori.

    Se posso permettermi alcuni suggerimenti per migliorare la qualità del prodotto che offri:

    1 è il tuo primo articolo, però lo stile che usi mi sembra troppo colloquiale per una trattazione scientifica: l'uso di anedotti e/o esempi dalla vita quotidiana è ottimo, limiterei invece alcune espressioni come "Caspita, di nomi normali proprio non ce ne sono!" o altre simili

    2 Almeno per il mio gusto personale utilizzi troppi punti esclamativi superflui.

    3 Nell'articolo hai fatto diverse rimandi ad argomenti che svilupperai in seguito. Che ne dici di una specie di piccola enciclopedia dei concetti più frequenti di cui ti troverai a parlare? Una lista in cui spieghi brevemente cos'è un elettrone, una particella, l'antimateria, la forza di gravità ecc Questo in modo tale da poter aver sempre un rimando a quella pagina quando redigi un articolo. In alternativa in futuro potresti inserire dei collegamenti ipertestuali nei vecchi articoli in cui accenni ad un argomento (ad esempio in questo l'antimateria) che rimandano all'articolo in cui ne parli più approfonditamente. Questo per facilitare la compresione del lettore.

    4 Invece di utilizzare con troppa frequenza gli incisi tra parantesi, ti consiglierei di inserire a fine articolo una sezione dedicata alle note con i rimandi all'articolo stesso, per rendere più scorrevole la lettura.

    Direi che può bastare :P

    Ti rinnovo i miei complimenti, alla prossima ^^

    P.S: ah, un mio commento personale alle varie teorie dell'articolo (chiarisco essere assolutamente un profano).

    La teoria che mi affascina di più è quella MOND, che al contrario delle altre non ha bisogno di supporre a tavolino l'esistenza di una così grande massa di materia a noi sconosciuta. Mi sembra strano che il 90 % della materia dell'universo non produca effetti tali da rendere "chiara" o quantomeno più facilmente verificabile la sua esistenza.

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    1. Ciao Il Mule (nickname di tutto rispetto per i fan di Asimov)
      grazie per i complimenti e per i numerosi suggerimenti!
      In ordine di suggerimenti:

      1-il suggerimento sullo stile è tutt'altro che scontato. Non è facile trovare uno stile che si adatti sia al rigore della trattazione scientifica sia alla scorrevolezza, ma cercherò di limitare le espressioni troppo colloquiali nei prossimi articoli, vediamo se si vedono dei miglioramenti!

      2-vale un po' lo stesso discorso di sopra, finché si tratta di considerazioni stilistiche c'è sempre spazio per migliorare.

      3-Questo è un po' più difficile da realizzare purtroppo. Il fatto è che non è sempre possibile spiegare in poche righe alcuni concetti come l'antimateria, l'interazione debole,... Non penso che sarei in grado di mettere in piedi un'enciclopedia di questo tipo. Resta però il fatto che non appena inserirò un articolo sull'antimateria (ad esempio) non mancherò di inserire il collegamento ipertestuale in quest'articolo. In questo modo se un lettore non ha molto chiaro il concetto può risolvere leggendo direttamente un altro articolo, molto più completo di quanto potrebbe essere una breve spiegazione.

      4-questa è un'ottima idea! Vedo se riesco a modificare anche gli articoli che stanno per uscire.


      Mi fa piacere che le MOND riscuotano così tanto successo tra i lettori, a questo punto un articolo di approfondimento è doveroso! Ho già trovato alcune fonti da cui poter trarre qualche spunto, ma prima di trattarle è meglio scrivere qualche altro articolo per poter cominciare a parlare di fisica moderna.
      Grazie ancora per il commento molto costruttivo!

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