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sabato dicembre 10, 2016 20:05

Che cosa sono la materia e l’energia oscura?- spiegazione semplice

Posted by Tanja

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La materia oscura e l’energia oscura sono due degli ingredienti base del nostro universo. Insieme occupano il 96% del cosmo. Ma non possono essere misurate direttamente. Eppure la loro influenza è immensa. La fisica Patricia Burchat getta un po’ di luce su queste “oscure” aree dell’Universo.

Il destino dell’universo non è determinato da atomi e molecole: li conosciamo, ma sono solo una piccola percentuale della sua composizione. Negli ultimi decenni si è scoperto infatti che siamo immersi in un mistero: esiste (ma non sappiamo che cos’è) una materia oscura, che tende a far restringere il cosmo per effetto della gravità. E c’è anche un’altrettanto misteriosa energia oscura, che tende a farlo espandere sempre più rapidamente.

In una conferenza TED di qualche anno fa Patricia Burchat ha spiegato in modo molto semplice e comprensibile uno dei campi più complessi e affascinanti della ricerca scientifica.

TED – per i non addetti ai lavori – è un’organizzazione non-profit il cui scopo è “la diffusione delle idee”, attraverso conferenze internazionali .

Qui sotto la trascrizione della traduzione della conferenza (il video è sottotitolato).

Come fisico delle particelle mi occupo delle particelle elementari e delle loro interazioni fondamentali. Per quasi tutta la mia carriera di ricercatrice ho usato acceleratori, ad esempio l’acceleratore di elettroni alla Stanford University qui a due passi, per studiare le cose più piccole che esistono. Ultimamente però ho concentrato la mia attenzione sull’universo nella sua scala più grande. Questo perchè, come vedrete, le domande sull’estremamente piccolo e sull’estremamente grande sono in realtà connesse. Vi parlerò della visione dell’universo che abbiamo nel ventunesimo secolo, dei suoi componenti e di quali siano le grandi domande della fisica – alcune delle grandi domande.

Abbiamo capito solo recentemente che la materia ordinaria di cui è composto l’universo – e per ordinaria intendo voi, io, i pianeti, le stelle, le galassie – la materia ordinaria può giustificare solo una piccola percentuale di quello che è contenuto nell’universo. Quasi un quarto, approssimativamente, di tutta la materia nell’universo, è costituito di sostanza invisibile. Per invisibile intendo che non assorbe nello spettro elettromagnetico. Non emette nello spettro elettromagnetico. Non riflette. Non interagisce con lo spettro elettromagnetico, che è cio’ che utilizziamo per rilevare le cose. Non interagisce in alcun modo. Quindi come sappiamo che c’è? Lo sappiamo a causa degli effetti gravitazionali. In effetti, questa materia oscura domina le forze gravitazionali di tutto l’universo, e vi mostrerò le prove di questa affermazione.

E il resto della torta? E’ composta da una sostanza misteriosa chiamata energia oscura.

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Vi parlerò anche di quella tra un attimo. Per il momento concentriamoci sulle prove riguardo la materia oscura. In queste galassie, particolarmente nelle galassie a spirale, la maggior parte della massa delle stelle è concentrata nel centro della galassia. La massa enorme di tutte queste stelle ne tiene altre in orbita circolare, quindi abbiamo moltissime stelle che girano in cerchio, così. E’ facile capire, anche se non conoscete la fisica – dovrebbe essere intuitivo – che le stelle più vicine alla massa al centro dovrebbero muoversi più velocemente di quelle all’esterno, giusto?

Quello che ci si aspetterebbe misurando le velocità orbitali di queste stelle, quindi, è che dovrebbero essere più lente all’esterno rispetto all’interno. In altre parole, se misurassimo la velocità in funzione della distanza – questo è l’unico grafico che farò vedere, promesso – ci aspetteremmo che scendesse al crescere della distanza dal centro della galassia. Quando effettivamente facciamo i calcoli, scopriamo che la velocità rimane praticamente costante al crescere della distanza. E se è costante significa che le stelle all’esterno risentono di forze gravitazionali generate da materia che non vediamo. In effetti, questa e tutte le altre galassie sembrano essere avvolte in una nuvola di questa invisibile materia oscura. Questa nuvola di materia è molto più sferica delle galassie stesse, e si estende per un raggio molto più vasto della galassia. Noi vediamo la galassia e ci concentriamo su quella, ma in realtà è la nuvola di materia oscura a dominare la struttura e le dinamiche della galassia.

Le galassie inoltre non si trovano sparse a caso nello spazio; tendono a formare ammassi. Ecco un esempio abbastanza famoso: l’ammasso della Chioma. Ci sono migliaia di galassie in questo ammasso. Sono gli oggetti bianchi, ellittici e sfocati. Se fotografiamo questi ammassi, adesso e tra una decina d’anni, sembreranno esattamente uguali. In realtà queste galassie si muovono ad altissime velocità, e si muovono intorno al pozzo gravitazionale creato dall’ammasso. Tutte le galassie si muovono. Possiamo misurare le velocità orbitali di queste galassie e quindi calcolare quanta massa c’è in questi agglomerati.

Scopriamo che c’è molta più massa di quanta possiamo giustificare con le galassie che vediamo. Se guardiamo in altre parti dello spettro elettromagnetico vediamo che c’è anche molto gas in questo ammasso, ma neanche questo può render conto della massa. A conti fatti sembra che ci sia una massa circa 10 volte maggiore sotto forma di materia oscura invisibile rispetto alla materia ordinaria. Sarebbe bello se potessimo vedere questa materia oscura più chiaramente. Io inserisco questa grossa bolla blu giusto per ricordarci che c’è. Possiamo renderla più chiaramente visibile? Certo.

Ora vi mostro come possiamo fare. Qui c’è un osservatore: può essere un occhio o un telescopio. Supponiamo ci sia una galassia da qualche parte nell’universo. Come facciamo a vederla? Un raggio di luce parte dalla galassia e dopo aver attraversato l’universo impiegando anche miliardi di anni arriva ed entra nel telescopio o nell’occhio. Ora, come deduciamo la posizione della galassia? Beh, lo capiamo dalla direzione in cui il raggio si muove quando arriva all’occhio, giusto? Diciamo che se il raggio arriva da questa direzione la galassia deve essere lì. Ora supponiamo che nel mezzo ci sia un ammasso di galassie, e non dimentichiamoci la materia oscura. Se ora immaginiamo un raggio di luce che parte in questa direzione dobbiamo tenere in considerazione quello che Einstein aveva predetto quando ha sviluppato la relatività generale. E cioè che il campo gravitazionale, a causa della massa, defletterà non solo la traiettoria delle particelle ma anche la luce stessa.

Quindi questo raggio di luce non viaggerà lungo una linea retta, ma piegherà la sua rotta e potrebbe finire nel nostro occhio. Dove vedrebbe la galassia questo osservatore? Potete rispondere… In alto, giusto? Andiamo a ritroso e diciamo che la galassia è in alto. Ci sono altri raggi che potrebbero arrivare all’occhio dell’osservatore da quella galassia? Esatto! Vedo qualcuno che mi fa segno “In basso.” Un raggio potrebbe andare verso il basso, piegare e finire nell’occhio dell’osservatore, che vedrebbe il raggio di luce qui.

Tenete a mente che viviamo in un universo tridimensionale, in uno spazio tridimensionale. Ci sono altri raggi che potrebbero arrivare all’occhio? Esatto! I raggi si troverebbero disposti a cono. Quindi ci sono tutta una serie di raggi disposti su un cono che verrebbero deviati dall’ammasso per poi finire nell’occhio dell’osservatore. E se c’è un cono di luce che mi arriva in un occhio, io cosa vedo? Un cerchio, un anello. Si chiama Anello di Einstein, lui l’aveva predetto. E sarà un anello perfetto solo se la fonte, l’oggetto deflettore e l’occhio si trovano perfettamente allineati. Se sono spostati anche solo di un po’ l’immagine sarà diversa.

Potete fare un esperimento stasera al buffet per vedere come apparirebbe l’immagine. Perchè c’è un tipo di lente che possiamo disegnare che ha la forma giusta per produrre questo tipo di effetto. Un fenomeno chiamato lente gravitazionale. Ecco il vostro strumento. (Risate) Ma ignorate la parte di sopra. E’ la base su cui dobbiamo concentrarci. Ogni volta che a casa rompiamo un calice io prendo la base e la porto nella nostra officina. La lavoriamo un po’ ed otteniamo una piccola lente gravitazionale. Ha la forma giusta per creare l’effetto lente. Il passo successivo del nostro esperimento è prendere un tovagliolo. Io ho usato la carta millimetrata… sono un fisico. (Risate) Quindi disegnate una piccola galassia nel mezzo e poi mettete la lente sopra la galassia. Ecco che potete vedere un anello, un Anello di Einstein. Se spostate un po’ la lente l’anello si divide in archi. Funziona con qualunque immagine. Sulla carta millimetrata potete vedere come tutte le linee vengano distorte. E questo è in effetti un modello abbastanza accurato di quello che succede nella lente gravitazionale.

Allora la domanda è: vediamo questa cosa in cielo? Vediamo degli archi nel cielo quando guardiamo gli ammassi di galassie? E la risposta è sì. Ecco un immagine dal telescopio Hubble. Molte delle foto che vedete vengono dal telescopio Hubble. Allora, per prima cosa le forme dorate sono le galassie nell’ammasso. Sono quelle avvolte dal mare di materia oscura che causano la deviazione della luce che provoca le illusioni ottiche, miraggi in pratica, delle altre galassie sullo sfondo. Quindi queste strisce che vedete, tutte le strisce, sono in realtà immagini distorte di galassie molto più lontane.

Quello che possiamo fare, basandoci sulla quantità di distorsione presente nelle immagini, è calcolare quanta massa ci deve essere in questo ammasso. Ed è una quantità enorme. Si può anche vedere ad occhio nudo che questi archi non sono centrati su singole galassie; sono centrati su una struttura più ampia. E questa struttura è la materia oscura in cui l’ammasso è immerso. Questa è la cosa più vicina a vedere davvero ad occhio nudo almeno gli effetti che può creare la materia oscura.

Ok, un piccolo riassunto per vedere se siete stati attenti. La prova che abbiamo del fatto che un quarto dell’universo sia materia oscura – materia con forza gravitazionale – è che la velocità con cui le stelle che orbitano intorno alle galassie è troppo alta, quindi devono essere avvolte di materia oscura. La velocità con cui le galassie orbitano negli ammassi è troppo alta, quindi devono essere avvolte da materia oscura. E poi vediamo questi effetti da lente gravitazionale: queste distorsioni ci dicono, ancora, che gli ammassi sono avvolti da materia oscura.

Adesso concentriamoci sull’energia oscura. Per capire le prove sull’energia oscura, dobbiamo parlare di qualcosa a cui faceva riferimento prima Stephen Hawking: il fatto che lo spazio stesso si sta espandendo. Immaginiamo una sezione del nostro universo infinito, in cui ho inserito quattro galassie a spirale. Immaginiamo di disporre una serie di metri a nastro – ogni linea qui corrisponde ad un metro – orizzontali e verticali, per misurare dove sono le cose. Se lo potessimo fare, scopriremmo che al passare dei giorni, degli anni, persino dei miliardi di anni, la distanza tra le galassie sta aumentando. E non è perchè le galassie si allontanano le une dalle altre attraverso lo spazio; non si stanno muovendo in uno spazio immobile. Si stanno allontanando le une dalle altre perchè lo spazio stesso si sta espandendo. Ecco cosa vuole realmente dire l’espansione dello spazio. Quindi sono sempre più distanti.

Un’altra cosa che Stephen Hawking ha menzionato è che dopo il Big Bang lo spazio si è espanso molto velocemente. Ma dato che all’interno dello spazio troviamo materia che crea attrazione gravitazionale, questa tende a rallentarne l’espansione. Quindi l’espansione si fa più lenta col tempo. Nell’ultimo secolo le persone hanno dibattuto se l’espansione dello spazio debba continuare per sempre, nel senso che rallenterebbe, capite, andra’ rallentando, ma per continuare all’infinito. Un rallentare fino a fermarsi in maniera asintotica, oppure se debba rallentare, fermarsi, per poi cominciare a contrarsi di nuovo. Poco più di dieci anni fa due gruppi di fisici e astronomi hanno cominciato a misurare la velocità con cui l’espansione dell’universo stava rallentando. Quanto più lenta è l’espansione oggi rispetto a, per esempio, un miliardo di anni fa?

La risposta stupefacente ottenuta da questi esperimenti è che lo spazio si sta espandendo più rapidamente adesso rispetto ad un miliardo di anni fa. Quindi la velocità con cui lo spazio si espande sta aumentando. Questo fu un risultato assolutamente sorprendente. Non c’è nessuna teoria scientifica che giustifichi perchè questo accade. Nessuno avrebbe potuto prevedere che i risultati sarebbero stati quelli. E’ successo esattamente l’opposto di quello che ci si aspettava. Quindi avevamo bisogno di qualcosa per spiegarlo. E viene fuori che, nei calcoli, c’è un termine che si può inserire che rappresenta un’energia; ma è un tipo di energia completamente diverso da tutto quello che conosciamo al momento. La chiamiamo energia oscura ed è la causa dell’espansione dello spazio. Ma non abbiamo ancora una spiegazione valida per inserirla nei calcoli. Quindi il problema è che non sappiamo perchè dobbiamo inserirla.

A questo punto devo seriamente enfatizzare il fatto che, per prima cosa, materia oscura ed energia oscura sono due cose completamente diverse, ok? Ci sono in realtà due misteri là fuori che compongono la maggior parte dell’universo, ed hanno effetti molto diversi. La materia oscura, per il fatto che crea attrazione gravitazionale, tende ad incoraggiare la crescita delle strutture. Quindi si tenderanno a formare ammassi di galassie a causa di questa attrazione gravitazionale. Al contrario, l’energia oscura sta creando sempre più spazio tra le galassie. Fa in modo che l’attrazione gravitazionale tra di esse diminuisca, impedendo quindi la formazione di strutture. Quindi studiando gli ammassi di galassie – il loro numero e la loro densità, quante ce ne sono in funzione del tempo – possiamo capire come la materia oscura e l’energia oscura competono l’una contro l’altra nella formazione di strutture.

Come ho detto, non abbiamo ancora una spiegazione convincente per l’energia oscura. Abbiamo qualcosa per la materia oscura? La risposta è: sì. Abbiamo dei candidati attendibili per la materia oscura. Cosa intendo per attendibili? Voglio dire che abbiamo delle teorie matematicamente coerenti che in realtà sono state introdotte per spiegare fenomeni completamente diversi, cose di cui non ho nemmeno parlato, e ciascuna predice l’esistenza di una nuova particella che interagisce in modo molto debole.

E questo è esattamente ciò che si desidera in fisica: quando una predizione viene fuori da una teoria matematicamente coerente che in realtà è stata sviluppata per qualcos’altro. Ma non sappiamo se e quale di queste particelle sia per davvero il candidato per la materia oscura. Una? Ambedue? Chi lo sa? Potrebbe anche essere qualcosa di completamente diverso. Noi siamo alla ricerca di queste particelle di materia oscura perchè, in fondo, sono qui intorno a noi e non sono entrate dalla porta. Passano semplicemente attraverso le cose. Passano attraverso gli edifici, attraverso il pianeta; ecco quanto poco interagiscono.

Un modo per cercarle è costruire dei rilevatori estremamente sensibili alle particelle di materia oscura che li attraversano e li urtano. Ad esempio un cristallo che vibra quando questo accade. Un mio collega ed i suoi collaboratori hanno costruito un rilevatore di questo tipo. L’anno messo in fondo ad una miniera di ferro in Minnesota, molto in profondità, ed un paio di giorni fa hanno annunciato i risultati più precisi avuti finora. Non hanno visto niente, ma ci permettono comunque di mettere dei limiti sulla massa e sulla forza di interazione che queste particelle hanno. Un telescopio satellitare verrà lanciato più avanti quest’anno. Sarà puntato verso il centro della galassia per cercare particelle di materia oscura che si disintregrano e producono raggi gamma che possono essere individuati dal telescopio. Il Large Hadron Collider, un acceleratore di particelle, verrà messo in funzione tra qualche mese [La conferenza risale a qualche anno fa e l’LHC nel frattempo è già in funzione con ottimi risultati. NdR]. E’ possibile che si producano particelle di materia oscura nel Large Hadron Collider.

Ora, visto che interagiscono così poco, in realtà usciranno dai rilevatori quindi la loro firma sarà dell’energia mancante. Purtroppo c’è molta fisica nuova che lascerebbe la stessa firma di energia mancante, quindi sarà difficile capire la differenza. Infine, le prossime avventure: si stanno progettando telescopi specifici per affrontare le domande sulla materia oscura e sull’energia oscura. Questi sono installati a terra. E ci sono anche tre telescopi spaziali che sono in competizione al momento per essere lanciati ad investigare la materia oscura e l’energia oscura. Quindi le due domande fondamentali sono: Cos’è la materia oscura? Cos’è l’energia oscura? Sono le grandi domande che la fisica deve affrontare. E sono sicura che avrete anche voi molte domande, e non vedo l’ora di poterne discutere mentre saremo qui per le prossime 72 ore. Grazie.

http://www.focus.it/natura/che-cosa-sono-la-materia-e-l-energia-oscura

1 Response to Che cosa sono la materia e l’energia oscura?- spiegazione semplice

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Il sasso nero

gennaio 23rd, 2017 at 06:24

Galassie, Universi, Buchi neri, certo che qualcuno ne vede di cose,la fuori,
personalmente, ho scandagliato il cielo per anni giorno e notte e non sono
nemmeno riuscito a vedere un solo satellite(?) ripeto: non uno solo, forse
sono stati messi in magazzino dalla nasa, anche se vedo po’ di difficoltà a
stiparne i ventimila e più che dovrebbero esserci e che dovrebbero svolazzare liberi sopra le nostre teste, qualcosa non funziona, ci deve essere un errore da qualche parte.

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La domanda eterna di ogni persona da sempre.
Questo blog è il risultato, lo specchio, il modo, e la strada che sto precorrendo nella mia personale ricerca di risposte a questa domanda
In questo blog troverete tutto quello cosa ho scoperto fino adesso e cosa ancora sto scoprendo.
Io credo che questa ricerca non finirà mai.
Credo che siamo esseri multidimensionali creati da perfezione d’amore incondizionato e universale e come tali anche noi siamo perfetti esseri d’amore con i poteri divini di creazione.
Siamo esseri divini che possiedono stesse caratteristiche della nostra fonte. Noi siamo l’amore, la sapienza, la saggezza e la potenza.
Una volta ho scritto:
Fu una volta un popolo divino........
che dimenticò di esserlo..
dimenticò
realtà parallele
frequenze divine
connessione divina
libera connesione divina.

Un giorno pieno di luce hanno cominciato......

In che modo continua la favola e in che modo finirà dipende da tutti noi.
Adesso dobbiamo solo ricordarci di essere Dei.
Per questa ragione ho battezzato il mio blog con questo nome.
Mi sento come una Dea che stava dormendo per tanto tempo ed adesso si sta risvegliando.
Forse sono ancora un po’ assonnacchiata ma i miei sensi si stano risvegliando sempre di più per poter vedere differenza tra il vecchio mondo e il nuovo mondo che sta nascendo.
Quel nuovo mondo, quella nuova realtà è creata nella condivisione. Non poteva essere diversamente perché siamo tutti collegati. Tutti noi siamo un unico organismo vivente che solo collaborando può vivere e crescere.
Sono certa che tutti noi, i Dei risvegliati, stiamo creando qualcosa che ancora non esisteva nel multiverso.
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Questo blog è un mio contributo al condivisione in creazione.
Che l’amore ci guida.
Tanja

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