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livello medio
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ARGOMENTO: ASTRONOMIA E ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: materia oscura
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La materia0, ovvero “qualsiasi sostanza fisica provvista di massa che occupa spazio”, nasconde ancora molti misteri. Sebbene materia e energia siano i due componenti fondamentali dell’Universo, la maggior parte della materia è invisibile e non viene ancora compresa: viene definita la materia oscura.
L’astronomo Fritz Zwicky fu il primo a notare la difformità tra la quantità di materia visibile in un ammasso di galassie e i moti delle stesse, ed ipotizzò che la materia visibile non era sufficiente a giudicare ciò che stava avvenendo. Zwicky ipotizzò quindi la presenza di una materia invisibile ai nostri occhi, che chiamò “materia oscura”, in grado di interagire gravitazionalmente con la materia visibile. La sua scoperta fu confermata nel tempo, osservando le galassie a spirale i cui bordi esterni ruotavano molto più rapidamente del previsto, il che faceva supporre l’esistenza di una materia invisibile che si estendeva ben oltre la galassia visibile.
La materia oscura è oggi considerata uno dei costituenti maggiori dell’universo, cinque volte più abbondante della materia ordinaria, una sorta di “sostanza” che possiede gravità, tiene insieme le galassie, ma non può essere vista direttamente con nessun strumento disponibile. La stima della sua quantità è basata su un fenomeno noto come lente gravitazionale, prevista da Einstein, che provoca una deformazione apparente dell’immagine dei corpi celesti quando la luce da loro emessa si trova a passare nei pressi delle masse che producono la curvatura dello spazio-tempo. A questo punto ci possiamo chiedere di cosa sia composta, come si comporti, da dove venga, e quale sarà il suo destino. Le ipotesi sono tante e proverò a rispondere ad alcune domande in un prossimo articolo più specialistico.
Per ora facciamo un passo indietro, per puntualizzare alcuni aspetti
Tutto cominciò con il cosiddetto modello standard della fisica delle particelle, la teoria fondamentale della fisica moderna che classifica tutte le particelle elementari conosciute e descrive tre delle quattro interazioni fondamentali (elettromagnetismo, interazione forza debole e forte)1. Secondo questo modello la materia è organizzata in quark e leptoni, mediati dai bosoni, ma ha un problema: non include la forza gravitazionale e non spiega l’esistenza di una materia invisibile, che chiameremo oscura. Il problema è che essa non riflette, non emette e non ostacola la luce (o qualsiasi altro tipo di radiazione elettromagnetica) per cui non può essere osservata direttamente, interagendo solo con la gravità. Gli studi effettuati con il telescopio spaziale Hubble, su come gli ammassi di galassie “pieghino” la luce che li attraversa, hanno permesso agli astronomi di dedurre dove possa concentrarsi questa massa nascosta. In particolare, gli astronomi sono ora in grado di creare delle mappe di dove potrebbe essere concentrata la materia oscura. Osservando le galassie intorno a noi, è possibile calcolare quanta massa sarebbe necessaria per tenere insieme queste galassie, basando i calcoli sulla legge della gravità. Gli astronomi hanno calcolato che questa ipotetica materia oscura, necessaria a compensare la materia esistente, debba essere circa cinque volte superiore, cosa che fa ipotizzare che l’universo sia composto per il 15% da materia visibile e per l’85% da quella oscura.
Curva di rotazione di una tipica galassia a spirale. La curva rossa è la predizione della legge di gravità Newtoniana; quella bianca rappresenta l’andamento delle misure sperimentali. In figura, la curva bianca è quella delle misurazioni e può essere compresa soltanto se la distribuzione di massa si estende ben oltre quella della luce stellare visibile. Questo significa che la massa nelle regioni esterne della galassia, non si vede, è oscura – credito Gorenstein, P., Tucker, Wallace, Astronomical Signatures of Dark Matter su Advances in High Energy Physics
(PDF) Astronomical Signatures of Dark Matter, giugno 2014 su Progressi nella fisica delle alte energie, 2014 DOI:10.1155/2014/878203 di P. Gorenstein del Centro di Astrofisica Harvard & Smithsonian e Wallace Tucker del Centro di Astrofisica Harvard & Smithsonian
Mappa 3d della materia Oscura Credits: NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology) – per gentile concessione ESA solo per uso didattico – – Fonte ESA Mappa 3D materia oscura 2.jpg – Wikipedia
Vincenzo Popio
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Note
0. il nome materia può essere ricondotto al termine latino mater, “madre”, essendo il fondamento costituente di tutte le cose esistenti. Ma non include l’energia, che è invece dovuta al contributo dei campi di forze. Ciononostante, materia e energia sono intimamente legate.
1 il modello standard della fisica delle particelle fu sviluppato in varie fasi nel corso della seconda metà del XX secolo, trovando la sua formulazione negli anni settanta, in seguito alla conferma sperimentale dell’esistenza dei quark. Da allora, scoperte successive culminate nella scoperta del bosone di Higgs (2012) ne hanno consolidato la credibilità. Sebbene sia ritenuto coerente dal punto di vista teorico non incorporando l’interazione gravitazionale (formulata dalla relatività generale) non spiegando l’espansione accelerata dell’universo (e di conseguenza dell’energia oscura) e non prevedendo alcuna plausibile particella di materia oscura,.
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.