Quando si pensa all'Universo, ci viene forse in mente il cielo stellato e qualche astronomo che cerca di carpirne i segreti, come nella celebre raffigurazione di Flammarion. Però, di tutta la materia presente nell'universo, e che esercita gravità, solo il 19% è osservabile ed è fatta di quella che potremmo chiamare materia ordinaria, per intenderci, la materia di cui sono fatte le mele, le montagne, la luna, il sole.
A questo punto vi starete domandando, come si fa a vedere qualcosa che non è osservabile? Ecco, questo è uno dei compiti che riesce bene agli astronomi, cioè costruire strumenti, o ideare osservazione, che ci permettono di vedere oltre il palmo del nostro naso, ed oltre i limiti dei nostri sensi.
La materia oscura, ne è proprio uno degli esempi più lampanti: è una particolare forma di materia che non è rivelabile attraverso la radiazione elettromagnetica, ovvero non emette radiazione luminosa, ma interagisce attraverso la gravitazione. Non si vede ma c’è! Il primo a ad accorgersi, di questo qualcosa che non si vedeva ma c’era, fu l’astronomo svizzero Fritz Zwicky, che negli anni ‘30 del secolo scorso, fece una specie di prova del nove, per smascherare il gioco di prestigio della natura. Dapprima osservò tutta la luce emessa da alcune galassie, e da questa, ne stimò la massa totale, basandosi sul fatto che tante più stelle ho, tanta più luce misuro, e quindi tanta più è la massa delle stelle che emette quella luce. Ma siccome fidarsi è bene, ma non fidarsi è meglio, il nostro decise di fare un’altra stima della massa, indipendente dalla prima. Ovvero, misurò la massa basandosi su come questa influiva sul moto di rotazione delle galassie, ovvia tanta più massa c’è, tanto più le orbite delle stelle attorno al centro della galassia ne devono risentire. Ebbene, come ormai avrete già capito, i conti non tornavano, e la massa stimata dall’effetto gravitazionale, era di gran lunga maggiore di quella stimabile dalla luce emessa dalle stelle.
Nel corso degli anni, gli astronomi hanno esteso le loro ricerche, per capire quanta materia oscura ci fosse, cercandone le impronte in vari “territori”, quindi hanno iniziato a cercare queste discrepanze, non solo nella dinamica stellare galattica, ma si sono addentrati sino all’origine dell’universo stesso, ovvero sono stati in grado di trovare indizi di materia oscura, studiando l'eco del big bang, ed a questo filone di ricerca ha dato un contributo rilevantissimo il satellite dell'Agenzia Spaziale Europea Planck.
Oltre allo studio della dinamica galattica, ed allo studio dell’eco del Big Bang, possiamo capire che c'è della massa oltre a quella che si vede attraverso le varie forme di luce, grazie allo studio all'emissione nei raggi X degli amassi di galassie, le più grandi aggregazioni di massa che conosciamo e che riuniscono in sé un milione di miliardi di soli, raggruppati in singole galassie. In questi oggetti, si arriva a misurare che la materia ordinaria non è sufficiente a scaldare fino a decine di miliardi di gradi il plasma che riempie lo spazio tra le galassie ed emette nei raggi X. Occorre invocare, anche qui, una presenza di massa gravitante che non si può rilevare direttamente.
Seppure immensi, gli ammassi di galassie si evolvono continuamente: durante i circa 13 miliardi di anni dall'inizio dei tempi, si possono scontrare e fondere con un coinvolgimento di massa ed energia che è secondo solo alla nascita dell'Universo stesso. Uno degli oggetti più spettacolari del cielo in cui si vede questo fenomeno di fusione è il bullet cluster, mostrato anche nella figura in cima al testo. La figura è una composizione di diverse immagine: una ripresa con telescopi ottici cattura le stelle del campo e la galassie che formano gli ammassi. Le galassie hanno un colore giallo-arancione ed ognuna contiene miliardi di stelle, hanno la forma di girandole o enormi ellissoidi. Sono composte principalmente di idrogeno ed elio come il nostro Sole ed in esse ci sono, con ragionevole supposizione, miliardi di pianeti. Gli astronomi sono riusciti anche a fotografare il plasma caldo nell'ammasso usando il telescopio spaziale per raggi X Chandra. Questo plasma è formato di idrogeno ed elio con tracce di altri elementi e la temperatura è così alta che gli elettroni sono separati dai nuclei: viene rappresentato in magenta nella figura. La distribuzione in blu non è un'immagine diretta, ma una ricostruzione fedele della distribuzione della massa. Questa è ricavata con complessi algoritmi dalla distribuzione delle galassie e dalla distorsione della loro immagine per effetto della gravità. Come si vede chiaramente, il gas caldo e la massa formano due distribuzioni diverse con due centri: gli ammassi che hanno interagito per la prima volta 150 milioni di anni fa. L'ammasso sulla destra è passato attraverso quello sulla sinistra, più grande. Nel passaggio il gas caldo ha interagito per frizione, come le nuvole nell'atmosfera, ha assunto una forma a proiettile. Al contrario, le galassie e la materia oscura hanno continuato indisturbate la loro corsa che riporterà gli ammassi a passare l'uno attraverso l'altro fra qualche centinaia di milioni di anni ed a continuare questa danza fino a formare un unico grande ammasso, dove la materia oscura e il plasma caldo occupano lo stesso spazio.
Seppure gli astronomi siano quasi unanimi nel ritenere che questo oggetto sia la più spettacolare rappresentazione di una fusione, della presenza di materia oscura, e del fatto che essa interagisca molto debolmente, occorre dire che ci sono delle spiegazioni alternative che assumono ad esempio delle modifiche della teoria di Newton. Finora, l'unica ed unanimemente accettata estensione della teoria di Newton è la relatività generale di Einstein. Dopo più di un secolo dalla sua pubblicazione, non è stato possibile trovare un regime in cui la teoria di Einstein non sia verificata: riesce a spiegare il moto dei satelliti intorno la terra, dei pianeti intorno alle stelle, del plasma attorno ai buchi neri, la fusione di buchi neri, ma anche la struttura a larga scala dell'Universo. La teoria di Einstein estende la teoria di Newton che riusciva a spiegare il moto dei pianeti attorno al Sole, con l'eccezione di un quasi impercettibile movimento dell'orbita di Mercurio, in cui il punto di massimo avvicinamento ruota attorno al Sole di 532 secondi d'arco per secolo (occorrerebbero più di 240 000 anni per un'orbita completa). Questo fenomeno fu uno di quelli che spinse Einstein alla formulazione della teoria della relatività e ne costituì una prima verifica.
Ai nostri giorni, l'ipotesi della materia oscura, così come anche dell'energia oscura che accelera l'espansione dell'Universo, pongono un serio problema epistemologico, perché spiegano il cognito con l'incognito. Sarebbe quindi legittimo invocare una modifica delle teorie esistenti, ma al momento queste teoria alternative hanno più contraddizioni intrinseche della teoria madre e quindi non possono essere (ancora) adottate, solo approfondite e dibattute con onestà e scrupolosa verifica attraverso i dati.
(Con la collaborazione di Andrea Tramacere)
