LA MATERIA OSCURA         

DOMANDE:
1) perchè deve esserci? 2) dove si trova? 3) cosa può essere?

1) perchè deve esserci? La gravità è una delle forze elementari presenti nel nucleo di tutti gli elementi ed è sempre attrattiva (quella elettrica e quella magnetica sono doppie). Agisce a qualunque distanza, ma diminuisce col quadrato della distanza. Abbiamo visto che le galassie si attraggono per formare gli ammassi. E' vero che la massa delle galassie è grande (la Via Lattea ha una massa "visibile" di 500 miliardi di Soli), ma la distanza fra di loro è ancora più grande (sempre maggiore di milioni di anni-luce) e quindi la forza di attrazione è piccola piccola, tanto da non giustificare il formarsi degli ammassi e dei super ammassi. Se però la massa fosse 10 o 100 volte di più, allora si che i conti tornerebbero!
Ma non basta: le galassie ruotano intorno ad un asse a velocità elevata. Tale velocità non è giustificata(*) dalla sola massa visibile: a) con tale massa la velocità dovrebbe essere minore, altrimenti le galassie dovrebbero disfarsi; b) poichè esse sono ancora vive e vegete, deve esserci qualcos'altro di nascosto.

2) dove si trova? Dappertutto. Dove vediamo vuoto, dove la densità è piccola, nello spazio intergalattico, fra gli atomi, dentro gli atomi?

3) cosa può essere? Le ipotesi sono molte: a) i neutrini; b) le stelle brune; c) le WIMP:
a) i neutrini non sono "cose" ma radiazioni estremamente penetranti: niente li ferma, nè le montagne, nè i pianeti, nè le stelle, che pure li generano. Attualmente il laboratorio del Gran Sasso è impegnato nel loro studio e così pure un laboratorio negli S.U.A. e un altro in Giappone. Nel 1998 il laboratorio giapponese ha annunciato che i neutrini hanno una massa, ma gli altri non hanno ancora confermato. Poichè l'universo è probabilmente "pieno" di neutrini, se essi avessero massa, il problema della massa oscura forse sarebbe risolto.
b) le stelle brune sono come il nostro Giove: pianeti grandi, grandissimi, ma non abbastanza grandi da diventare stelle e per noi ancora invisibili. E' questa una ipotesi lanciata da astronomi italiani e svizzeri: se le galassie, tutte, fossero circondate e riempite da stelle brune, e ce ne fossero nello spazio ora considerato vuoto, il problema della materia oscura forse sarebbe risolto.
c) le WIMP (particelle massicce debolmente interagenti, dette anche gravitini) sono studiate o meglio cercate al Gran Sasso dove è stato annunciato nel 1999 che "forse" esistono. La gravità è dovuta ad una particella sub-atomica, detta barione, presente negli atomi normali (se non ci fosse la massa non produrrebbe attrazione gravitazionale e quindi non esisterebbe il peso). Forse i gravitini sono barioni che, essendo fuori degli atomi, non agiscono fortemente con la materia e perciò sono di difficile individuazione?

Sono state fatte anche altre due ipotesi, una più fantastica dell'altra. Fantastiche, non fantasiose, perché avanzate dai più grandi studiosi dell'astrofisica:
A) buchi bianchi, cioè oggetti che "rigurgitano" materia così come i buchi neri la "mangiano": noi non sappiamo dove finisce la materia (e l'energia) inghiottita da questi e non sappiamo, se esistono, da dove la prelevano gli altri.
B) generazione dal "nulla": la generazione di particelle dal nulla è cosa assodata, ma non isolate e stabili, bensì in coppie di natura opposta (materia - antimateria) che istantaneamente si riaccoppiano rigenerando l'energia che aveva dato loro vita. Qui invece si tratta dell'ipotesi che da qualche parte ci sia una vera e propria fabbrica di materia la quale continua a "spingere" l'universo che conosciamo, fornendo anche l'energia che sembra mancare per far avvenire i movimenti all'interno delle galassie e di queste fra loro.

(*) L'equilibrio dinamico delle masse rotanti è assicurato dall'uguaglianza di due forze: a) forza di attrazione gravitazionale F1 = k m1 m2 / r2 che tende a concentrare le masse in un solo punto; b) forza centrifuga F2 = m2 v2 / r che tende ad allontanare fra loro le masse. Come si vede entrambe le forze sono direttamente proporzionali alla massa m2 e inversamente proporzionali alla distanza reciproca r. Tuttavia, per effetto degli esponenti e della presenza di grandezze diverse (massa m1 e velocità v2) nonché di altre grandi masse galattiche più o meno vicine che "tirano" in tutte le direzioni, il "gioco" fra F1 e F2 è molto più complicato. Le osservazioni astronomiche moderne danno buon conto delle velocità e delle distanze reciproche, i calcoli delle masse hanno buone approssimazioni, per cui risulta che in effetti la forza centrifuga è troppo grande rispetto alla forza di attrazione gravitazionale. Ciò significa che il rapporto v2 / r è troppo grande rispetto a k m2 / r2 per cui le masse rotanti dovrebbero disperdersi.
Poiché tale dispersione non avviene significa che: 1) la massa m1, cioè la massa totale della galassia, è più grande di quella che si "vede" con tutti gli strumenti attualmente disponibili; 2) la legge di attrazione gravitazionale universale, applicata alle masse galattiche, non è "esatta" come quando si applica a masse minori; in effetti, se supponiamo che invece di r2 ci sia r1,9, l'entità della forza F1 subirebbe un incremento non piccolo su scala galattica; 3) si può supporre che l'attrazione gravitazionale dei buchi neri, presenti pare nel nucleo di tutte le galassie, sia più importante di quella misurata solo per effetto della sua massa.
Tutto ciò renderebbe conto delle apparenti contraddizioni di equilibrio dinamico senza dover "scomodare" la materia oscura (vedi la rivista Focus giugno 2003).