Occorre come prima cosa premettere che per la comprensione accurata di alcune questioni oggetto della nostra discussione sarebbe necessaria la conoscenza della fisica generale in tutte le sue forme, ma purtroppo questo non basta, infatti occorrerebbe anche avere almeno delle basi di fisica sub-nucleare, fisica delle alte energie. Tutto ciò è stato detto non per spaventare ma anzi per invogliare tutti a cimentarsi con queste problematiche, in quanto la trattazione di seguito esula dal pretendere tali conoscenze; ci si limita cioè solo a fare un'analisi razionale in modo da capire perché è necessario tirare fuori la materia oscura, senza mai entrare nel merito fisico e limitandosi a prenderne atto.

INTRODUZIONE

Il problema della determinazione della massa dell'universo è strettamente connesso con l'evoluzione dello stesso, questo da un'idea del ruolo fondamentale che la conoscenza della distribuzione della materia ha per la messa a punto di un qualsiasi modello che descriva lo spazio-tempo che ci circonda. Quindi quello che si capisce è che la massa gioca un ruolo importante rispetto alle altre grandezze fisiche, ciò è dovuto al fatto che è proprio la forza gravitazionale (la stessa che fa cadere gli oggetti a terra) a regolare i moti su grande scala dell'universo. Il tutto nasce dalla constatazione sperimentale che l'universo si sta espandendo e a questo segue la domanda: la quantità di massa totale sarà sufficiente un giorno ad invertire l'espansione dell'universo? Attribuire solo a questo il ricorso alla materia oscura è riduttivo e fisicamente errato; infatti ci sono moltissimi esempi dove considerare la sola materia visibile porta a incongruenze sperimentali basti pensare ai moti delle galassie. Ma quello che ha determinato più di ogni altra cosa lo studio della materia oscura è il legame tra macrofisica e microfisica , che ha come prova sperimentale la cosiddetta radiazione di fondo : è logico attendersi quindi che la soluzione al problema della materia oscura venga in parte anche dai progressi nella conoscenza della fisica delle particelle di alta energia.

Sin dal 1933, si sa come gli ammassi di galassie contengono una percentuale notevole di massa non luminosa. Infatti Fritz Zwicky attraverso un analisi delle velocità delle singole galassie che compongono l'ammasso vide che esse si muovevano con velocità tali da non garantire la stabilità dinamica del sistema; in altre parole le galassie si dovevano disperdere in breve tempo, cosa puntualmente smentita in pratica. Un'altra indicazione della presenza di materia oscura si basa sulla velocità di rotazione delle galassie. La velocità di rotazione di un oggetto in un sistema la cui stabilità si fonda su forze gravitazionali dipende dalla sua distanza dal centro di rotazione. (Fig.1). Si è visto però che ci sono galassie i cui bracci a spirale sono formati da materia che ruota a velocità costante all'aumentare della distanza dal centro. Un'altra indicazione sulla presenza della materia oscura ci viene data da un teorema della meccanica classica chiamato "teorema del viriale". In sostanza questo teorema lega l'energia cinetica media e quella potenziale media di oggetti presenti in un sistema stabile legato dalla gravitazione che abbia raggiunto l'equilibrio dinamico. Dovrebbe essere quindi possibile valutare la massa del sistema (proporzionale alla sua energia gravitazionale totale) misurando la velocità relativa di coppie di oggetti appartenenti al sistema (più sono le misure maggiore è la precisione). Ed anche con questo metodo la materia luminosa non è sufficiente ha garantire la stabilità.

Senza dilungarci con altri esempi si vede che ci deve essere una qualche altra forma di materia distribuita nell'universo che permetta di eliminare le contraddizioni precedenti le quali tra l'altro sono anche rafforzate dal fatto che sono basate su considerazioni semplici di meccanica classica. Questa materia viene chiamata "materia oscura".

Dagli studi sopra discussi è notevole che emerga sostanzialmente lo stesso risultato: c'è altra materia oltre a quella visibile e il suo valore stimato è circa il 20% della massa necessaria a chiudere l'universo . Perciò si potrebbe concludere che: l'universo ha una densità inferiore a quella critica quindi è condannato ad espandersi all'infinito e noi viviamo in un universo aperto. Purtroppo le cose non sono così semplici.

PERCHE' CI DEVE ESSERE ALMENO UN ALTRO TIPO DI MATERIA RISPETTO A QUELLA CHE CONOSCIAMO?

Dalla teoria (nucleosintesi) che descrive la formazione degli elementi leggeri (idrogeno, elio) emerge che la densità dei protoni e dei neutroni deve essere circa il 20% di quella necessaria a chiudere l'universo, proprio come si osserva sperimentalmente. Ciò sarebbe una conferma al fatto che l'universo sia aperto, ma se per qualche ragione si dovesse supporre che l'universo fosse piatto allora implicherebbe l'esistenza di materia diversa da quella che conosciamo, necessaria a chiudere l'universo. Diciamo subito che è proprio quest'ultima ipotesi ad avere il sopravvento quindi cerchiamo di spiegare su cosa si basa. Le galassie si sarebbero formate alla fine di un processo di condensazione nel quale le regioni dell'universo più dense della media si contrassero sotto la forza di gravità formando sistemi isolati "parzialmente separati" dal movimento espansivo di fondo. Questo processo è potuto cominciare solo dopo 100 000 anni dopo il big bang, perché prima la materia comune che conosciamo (protoni, neutroni) non ebbe modo di condensare perché era ancora troppo calda cioè i moti delle particelle erano talmente elevati da non permettere l'unione stabile in particelle neutre (atomi).

[A questo punto le cose si complicano molto e diventa molto difficile spiegarle con parole semplici perciò occorre fare una piccola premessa. Un raggio luminoso sia questo proveniente dal sole che dalla lampadina di casa nostra è di fatto un'onda, (la natura ondulatoria delle luce può essere mostrata con semplicissimi esperimenti) ma non solo la luce visibile può essere rappresentata come un'onda anche il segnale televisivo che noi riceviamo con l'antenna, l'energia che fa cuocere i cibi nel forno a microonde, il suono musicale, il calore irradiato da un termosifone…. La quantità di fenomeni che ci circondano nella vita quotidiana che hanno un comportamento ondulatorio ci deve invogliare a capire il fenomeno e non a scoraggiarsi. Tutti almeno un volta per esempio in discoteca avvicinandosi ad una cassa acustica hanno percepito le vibrazioni che la cassa emette le quali provocano una vera e propria pressione sul nostro corpo. Poi man mano che ci si allontana questa sensazione sparisce e si sente solo la musica. La stessa cosa si può dire per le onde elettromagnetiche ( luce, microonde, onde radio…) cioè ad esse si può associare una pressione di radiazione che si calcola abbastanza facilmente. La domanda che ci si pone è questa: perché se c'è questa pressione quando siamo al sole non si sente niente? Risposta: perché è troppo piccola, ma la sua presenza è si sente comunque dal calore, proprio come la pressione sonora sparisce quando ci si allontana dalla cassa ma si sente comunque la musica.]

Riprendiamo il nostro discorso dicendo che particelle come i protoni sono particelle cariche che muovendosi ad altissime velocità (perché si trovano a temperature elevate) emettono un onda elettromagnetica ossia qualcosa simile alla luce. Tutto questo serve per spiegare che è possibile accoppiare una radiazione elettromagnetica con il moto di cariche quindi con la loro temperatura. Da questa correlazione emerge che un onda elettromagnetica può influenzare il moto di particelle cariche. Ed è proprio quello che è accaduto dopo il big bang ossia la radiazione elettromagnetica di fondo con la sua pressione di radiazione ostacolava la condensazione ossia la forza attrattiva della gravità. Alla fine l'universo divenne abbastanza freddo da permettere la formazione degli atomi che essendo complessivamente neutri non erano più influenzati dalla radiazione di fondo istante questo in cui si è avuto il cosiddetto disaccoppiamento tra materia e la radiazione. La cosa sensazionale su cui sono basati tutti questi discorsi è che la radiazione di fondo si osserva praticamente immutata anche oggi precisamente come microonde. Essa è molto omogenea in tutte le direzioni (grado di isotropia alto), ciò ci fa dedurre che l'universo prima del disaccoppiamento era molto uniforme perché se ciò non fosse la radiazione, dato che era collegata con la materia (a quel tempo elettricamente carica), doveva in qualche modo presentare qualche disomogeneità che riflettesse la distribuzione della materia stessa. Dalle osservazioni però emerge un universo formato da galassie, ammassi di galassie… cioè il massimo della disomogeneità e tutto ciò si sarebbe formato per gravità da dopo il disaccoppiamento fino ad oggi. La contraddizione che ci spinge a pensare ad un altro tipo di materia è che secondo i modelli oggi disponibili non ci sarebbe stato il tempo necessario affinché tutto ciò avvenisse: quindi questo vuol dire che la materia avrebbe iniziato a condensare molto prima del disaccoppiamento ma essa non può essere la materia comune perché essa avrebbe necessariamente lasciato delle tracce nella radiazione di fondo che però non ci sono.

Fino a poco tempo fa sembrava che fossero i neutrini i candidati ma studi numerici hanno definitivamente escluso che i neutrini siano gli unici e comunque ci sono delle grosse perplessità sulla natura neutrinica della materia oscura perché porta a modelli in contraddizione con lo stato attuale dell'universo. Quindi si può dire che la risposta alla domanda precedente non si conosce posso solo citare la direzione sulla quale oggi si concentrano gli studi ossia la materia oscura fredda, ossia una materia così fredda cioè così lenta da condensare molto prima del disaccoppiamento senza lasciare tracce nella radiazione di fondo in quanto non c'è bisogno di fluttuazioni iniziali grandi. La risposta a tutto ciò non sta tanto nella fisica astronomica quanto nella fisica delle particelle; infatti le particelle future candidate a formare la materia oscura fredda sono solo teorizzate e non ancora scoperte.