ASTRONOMIA: Cercando tra le stelle

Intervista con l'atronomo Agatino Rifatto.

di Angela Misiani
Abbiamo incontrato l'astronomo Agatino Rifatto durante un recente convegno sull'astronomia tenuto il mese scorso a Reggio Calabria; abbiamo voluto offrire ai lettori di Helios Magazine un interessante riflessione su un argomento al centro degli studi astronomici più avanzati: La Materia Oscura.
D.: Si parla tanto in questi ultimi tempi di materia oscura; Ma da cosa deriva la convinzione che nell'universo sia presente "materia oscura''?
R.: Da molti anni, ormai, gli astrofisici, i cosmologi ed i fisici delle particelle sono convinti che la materia cosidetta "visibile'' rappresenti una frazione piccola, se non addirittura trascurabile, di tutta la materia presente nell'universo.
Per quanto riguarda gli astrofisici ed i cosmologi, questo convincimento deriva essenzialmente da considerazioni di tipo dinamico, essendo non solo l'espansione dell'universo ma anche il comportamento dinamico di ogni sua singola parte governati dalla quantita` di materia totale presente all'interno di esso. Il problema e` capire quanto valga mediamente il rapporto tra la massa luminosa e quella oscura, e se esso vari al variare delle caratteristiche del luogo. Per esempio, ci si chiede se esso varia man mano che ci si sposta dal centro verso la periferia delle galassie su piccola scala, o degli ammassi di galassie su grande scala. Per far cio` si puo` studiare l'andamento del rapporto Massa-Luminosita` (in unita` solari) in funzione della distanza dal centro delle galassie o degli ammassi e vedere se varia o resta costante.
D.: Hai parlato di considerazioni di tipo dinamico e del modo in cui si distribuisce la materia, su piccola e grande scala, che portano ad ipotizzare la presenza di materia oscura. Puoi spiegare meglio perche` la materia oscura e` importante dal punto di vista dinamico e come si distribuisce, in generale, la materia nell'universo?
R.: L'importanza della materia oscura dal punto di vista dinamico e` legata al fatto che l'universo e` governato dalle forze dovute alla massa (forze gravitazionali) che, pur essendo le piu` deboli tra le varieta` di forze esistenti in natura, sono le uniche a rimanere attive su scala astronomica. Infatti, le forze elettromagnetiche si annullano a causa della duplicita` delle cariche elettriche e per il fatto che i corpi macroscopici sono neutri. Le forze nucleari, che sono quelle che si esercitano all'interno del nucleo tra i barioni, e le interazioni deboli, che presiedono ai decadimenti spontanei, agiscono solo su scala subatomica.
D.: Veniamo adesso alla seconda parte della domanda e cioe` sul modo in cui la materia si distribuisce nell'universo.
R.: La materia luminosa in generale, e cioe` le stelle e la materia diffusa, e` raccolta in galassie che a loro volta si associano in gruppi ed ammassi che possono arrivare a contenere da 10^13 alle 10^16 masse solari. In base alla loro struttura, gli ammassi possono suddividersi in regolari ed irregolari. Gli ammassi regolari hanno una notevole simmetria e sono molto concentrati verso il centro dell'ammasso stesso; sono inoltre caratterizzati dall'avere un'elevata dispersione di velocita` (dell'ordine del migliaio di km/sec) ed un'intensa emissione X dovuta al gas caldissimo (circa 50 milioni di gradi K) in cui e` "immerso'' l'ammasso. Negli ammassi regolari scarseggiano le galassie a spirale. Gli ammassi irregolari, invece, e sono la maggioranza, hanno una struttura a noduli, sono scarsamente concentrati, hanno una bassa dispersione di velocita` e l'emissione X e` dovuta ad un gas piu` freddo (dell'ordine di 10 milioni di gradi K).
Continuando a risalire la struttura gerarchica dell'universo, troviamo che gli ammassi tendono a loro volta ad aggregarsi in strutture sempre piu` grandi, i superammassi, che sono le strutture piu` grandi dell'universo visibile, raggiungendo dimensioni dell'ordine di decine di milioni di parsec (1 parsec ~ 3.26 anni luce).
I superammassi sono collegati tra di loro da "filamenti'' di galassie e da grandi vuoti dalle dimensioni di decine di milioni di Mpc (1 Mpc = 1 milione di parsec), secondo un disegno strutturale non molto dissimile da quello di una spugna.
Le dimensioni dei superammassi, con annessi filamenti e vuoti, sono quelle entro le quali l'universo puo` essere considerato omogeneo dal punto di vista della distribuzione della materia visibile.
D.: Andiamo adesso un po` nel concreto: quali sono i possibili oggetti che si candidano ad essere "materia oscura''?
R.: Nel corso di questi ultimi anni, gli astronomi hanno compilato un vasto campionario di oggetti celesti "poco luminosi'', e quindi praticamente invisibili o difficilmente rivelabili attraverso la radiazione elettromagnetica da essi emessa. Questi oggetti sono i pianeti, i satelliti, gli asteroidi, le comete, la polvere e le stelle cosidette "mancate'', quelle stelle cioe` il cui collasso gravitazionale non e` stato sufficiente a far raggiungere nella regione centrale la temperatura necessaria (circa 15 milioni di gradi K) ad innescare le reazioni di fusione dell'idrogeno in elio. A questi oggetti bisogna poi aggiungere le stelle di massa intermedia (circa 2.5 volte la massa del sole) che, completato il loro ciclo evolutivo, si spengono lentamente divenendo delle "nane nere''. Non dobbiamo poi dimenticare le grandi nubi di polvere presenti non solo nella Via Lattea ma anche nelle galassie esterne ed i buchi neri, questi ultimi con masse che possono variare da alcune masse solari fino a miliardi di volte la massa del nostro sole.
D.: Ma ci sono evidenze che rafforzano l'ipotesi della presenza di materia oscura nell'universo?
R.: La materia oscura sembra essere un "importante ingrediente'' per riuscire a spiegare un sempre crescente numero di fenomeni che si osservano nell'universo. Per esempio, al crescere delle dimensioni della scala entro cui si osservano determinati fenomeni, al crescere cioe` delle dimensioni di campionamento dell'universo, cresce il "bisogno'' di materia oscura rispetto alla materia luminosa che sembra invece bastare nella descrizione dei fenomeni su piccola scala. Vediamo alcuni esempi:
  1. La curva di rotazione ci permette di studiare il comportamento dinamico di una galassia, in quanto rappresenta l'andamento della velocita` di rotazione in funzione della distanza dal centro. Ebbene, cio` che si ricava dallo studio delle curve di rotazione di alcune spirali giganti e` che la distribuzione radiale della massa, dedotta dalla rotazione mediante l'ipotesi di equilibrio centrifugo, ha un andamento meno ripido rispetto alla distribuzione radiale della luminosita` misurata direttamente. Cio` significa che nelle regioni esterne delle galassie a spirale il rapporto tra massa e luminosita` cresce piu` rapidamente rispetto al valore che si assume nelle regioni piu` interne. Cio` significa che, al crescere della distanza dal centro, la produzione di energia per unita` di massa diminuisce progressivamente.
  2. La velocita` di rotazione dei sistemi binari di galassie attorno al baricentro e` troppo alta rispetto a quella che si dovrebbe avere se le masse delle singole galassie fossero dedotte dalla sola luminosita`. Poiche` questo moto di rotazione e` un moto di equilibrio, significa che attorno alle galassie deve esserci un'enorme quantita` di materia distribuita, probabilmente, sotto forma di aloni. Infatti, questa materia "in piu`'' non e` richiesta nelle regioni interne delle galassie.
  3. Un discorso analogo vale per le galassie satelliti di galassie giganti: la loro velocita` di rotazione e` piu` grande rispetto a quella che ci si aspetterebbe se la massa fosse soltanto quella visibile.
  4. Gli aloni X presenti negli ammassi di galassie, e di cui si e` parlato precedentemente, non potrebbero esistere se non fosse presente un intenso campo gravitazionale, prodotto da una massa superiore a quella visibile, in grado di trattenere un gas a quelle temperature elevate.
  5. L'elevata dispersione di velocita` misurata negli ammassi di galassie non sarebbe plausibile senza l'ipotesi che nell'ammasso stesso sia presente altra materia oltre quella visibile.
  6. La teoria cosmologica "dell'inflazione'' richiede che la densita` dell'universo sia proprio quella necessaria a far arrestare ed invertire l'attuale moto d'espansione dell'universo. Ebbene, la materia luminosa, in tale quadro, fornisce solo il 5% circa della densita` richiesta.

D.: Possiamo dunque dire di conoscere l'altra faccia dell'universo, quello non visibile, e di essere in grado di precisare a quanto ammonta la quantita` di materia oscura?
R.: Certamente no, anche perche` ci sono ancora molte questioni aperte, alcune delle quali importanti. Una prima questione e` di tipo metodologico: per esempio, stiamo usando la fisica "giusta''? E` possibile infatti che la materia oscura sia la conseguenza di un errore nelle nostre teorie ed ipotesi.
C'e` da dire, pero`, che tutti i tentativi per spiegare le evidenze osservative mediante nuove leggi della fisica, sono falliti.
Un'altra importante questione e` costituita dalla natura della materia oscura, e cioe` se si tratta di materia barionica, cioe` di particelle pesanti quali i protoni ed i neutroni, oppure di materia non barionica. In quest'ultimo caso sorgerebbe il problema della natura di questa materia non barionica. Tuttavia esiste un punto di partenza importante che ci viene dato dalla nucleosintesi; da essa si ricava, infatti, che la materia barionica non puo` eccedere il 5% circa di quella critica, di quella cioe` necessaria ad arrestare ed invertire l'attuale espansione dell'universo. Dunque, tutto quello che eccede questo limite dovrebbe essere materia non barionica, cioe` di particelle soggette ad interazioni molto deboli e tali che, accoppiandosi col neutrino, non assorbano ne emmettano radiazione. A seconda del modello di materia oscura che si considera (caldo, tiepido o freddo) i candidati sono il neutrino massiccio (per il modello di materia oscura calda), il gravitino (per il modello di materia oscura tiepida) oppure tutta una serie di particelle esotiche quali l'axione, il fotino, ecc. (per il modello di materia oscura fredda). Non voglio dilungarmi piu` del dovuto su questi aspetti per cui mi limitero` a dire che soltando i modelli "caldo'' e "freddo'' danno luogo a due scenari opposti per quanto riguarda la formazione di strutture primordiali nell'universo e precisamente lo scenario "top down'' nel primo caso e lo scenario "bottom up'' nel secondo caso.
Ma la questione e` ancora piu` complessa perche` non sappiamo, per esempio, se possano coesistere diversi tipi di materia oscura, come si distribuisce rispetto alle strutture luminose, come interagisce con la materia luminosa. Come si puo` capire, dunque, la materia oscura e` ancora oggi "materia oscura'', nel senso che sono ancora molti gli interrogativi aperti ed ai quali si spera di dare una risposta nell'immediato futuro.
Breve Biografia: Agatino Rifatto, laureato in astronomia all'universita` di Padova, e` attualmente astronomo ricercatore presso l'osservatorio astronomico di Capodimonte-Napoli. Il campo di studio e` quello extragalattico, ed in particolare lavora sulle proprieta` fotometriche delle galassie. Scrivete ad HELIOS Magazine via Ravagnese Sup. n°ree; 60 - 89100 REGGIO CALABRIA internet E-mail: HELIOSmagazine@diel.it
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