Che cavolo è la Materia Oscura?

Ai margini dell'Universo galleggiando sul Mistero

di Nicola Sparvieri

La teoria della relatività generale ci ha costretti a rivedere profondamente i nostri concetti di spazio e di tempo. Lo spazio ed il campo gravitazionale risultano infatti un tutt'uno diventando una delle componenti costitutive dell'Universo. Lo spazio si contorce e si curva in funzione della materia presente nei suoi pressi tanto che oggi possiamo dire che la Terra non gira intorno al Sole perché tirata da una misteriosa forza, ma perché sta andando dritta in uno spazio che si incurva.

La stessa teoria ci insegna che, quando una grande stella ha bruciato tutto il suo idrogeno, si spegne e quello che rimane, non più sostenuto dal calore della combustione, implode schiacciato dal suo stesso peso fino a curvare lo spazio così tanto da crollare entro se stesso in un buco nero e che neanche la luce riesce più ad uscire da esso. Oggi di buchi neri ne sono stati osservati a centinaia e studiati in dettaglio dagli astrofisici.

Sappiamo anche che non solo lo spazio si incurva ma anche il tempo si comporta in maniera diversa in prossimità della materia. Esso scorre più velocemente lontano dalle masse e più lentamente vicino ad esse. Tutto questo potrebbe sembrare il delirio di un pazzo ma è tutto rigorosamente misurato e comprovato sperimentalmente.

Inoltre le equazioni di Einstein indicano che l'Universo deve espandersi e, nel 1930, l'espansione dell'universo venne effettivamente osservata. La relatività generale predice che l'espansione è scaturita da una esplosione iniziale: il famoso Big Bang e la misura delle radiazione cosmica di fondo è una prova delle correttezza di questa previsione. Inoltre la teoria indica che lo spazio si increspi come le onde del mare e queste onde gravitazionali sono state effettivamente osservate e anch'esse combaciano con la predizione della teoria di Einstein.

Con l'affinarsi delle tecniche sperimentali (telescopi, radiotelescopi e sonde spaziali) abbiamo appreso che il nostro sistema solare non è che uno tra moltissimi sistemi analoghi e il nostro Sole è un granellino infinitesimo in una immensa nuvola di stelle formata da cento miliardi di stelle e cioè la nostra Galassia che chiamiamo la Via Lattea. Successive misure e verifiche ci hanno portato a concludere che anche la nostra Galassia non è che un granello di polvere in una immensa nuvola di Galassie, in numero di centinaia di miliardi che si estendono a perdita d'occhio fin dove i più potenti telescopi riescono a vedere.

Se in questa trama di Galassie si cerca di seguire la velocità di espansione dell'Universo, ci si accorge di una anomalia sorprendente e anche un po' inquietante: i grandi oggetti visibili nell'Universo (le Galassie e le stelle che ne fanno parte) si comportano come se fossero circondati da un'enorme quantità di materia invisibile, la cosiddetta "Materia Oscura". Già nei primi anni 30 l'astronomo svizzero Fritz Zwicky, si rese conto per primo del problema della massa mancante osservando l'ammasso di Galassie della costellazione della Chioma di Berenice. Egli comprese che la velocità di queste Galassie era troppo elevata e che l'attrazione gravitazionale di tutte le stelle, pianeti e gas presente nelle Galassie non era sufficiente per contrastare la loro velocità. Ipotizzò quindi che ci dovesse essere dell'ulteriore materia, almeno qualche centinaio di volte più abbondante di quella visibile dal telescopio, che teneva insieme l'immensa struttura. Da allora il problema di dare una risposta a come è fatta la Materia Oscura e come e perché si sia formata è diventato un problema insoluto fino ad oggi.

Forse la Materia Oscura è formata semplicemente da una sostanza ordinaria difficile da vedere a causa della luce troppo flebile per poter essere rilevata. O forse essa è fatta di materia diversa da quella a noi conosciuta. Ma tutte le conoscenze che abbiamo oggi sulla materia (che ci derivano dalla meccanica quantistica) non ci forniscono nessuna spiegazione definitiva, né sulla sua natura né sulla sua origine.

Oggi disponiamo anche di una "mappa" della distribuzione della Materia Oscura nell'Universo sulla base di osservazioni fatte con il telescopio spaziale Hubble su circa mezzo milione di Galassie, e risulta che essa non è distribuita in modo casuale ma è raggruppata in enormi agglomerati molto più grandi di quelli delle stesse Galassie. Essa sembra formare una sorta di struttura portante su cui osserviamo la presenza di materia ordinaria e cioè le Galassie che sembrerebbero legate tra loro da immensi filamenti di Materia Oscura come fossero dei ponti di collegamento. Alcuni cosmologi ipotizzano che all'inizio della storia dell'Universo la Materia Oscura formava una specie di armatura sulla quale si è successivamente formata la materia ordinaria. Sembrerebbe come se la materia ordinaria galleggi sopra la Materia Oscura e si comporti come la punta emergente di un iceberg la cui immensa struttura nascosta sia immersa e invisibile.

Si è stimato che circa il 4% di tutto quello che compone l'Universo (sia materia che energia) è composto da oggetti a noi noti e cioè spiegabili con le conoscenze a nostra disposizione. La Materia Oscura, qualunque cosa essa sia, rende conto di un altro 22% e il resto è composto di "Energia Oscura" e cioè di un campo di forze che pervade tutto lo spazio, che crea una forza repulsiva che causa l'espansione dell'Universo. Einstein fu il primo a ipotizzarne l'esistenza. Dal 1989 in poi ci si rese anche conto, osservando supernove lontane, che l'espansione dell'Universo sta accelerando usando come marcatori della velocità di espansione regioni remote dell'Universo. Oggi l'esistenza di questa Energia Oscura che spinge le Galassie ad allontanarsi le une dalle altre è un'ipotesi largamente accettata.

L'Energia Oscura, a differenza della materia, non è raggruppata in certi punti più che in altri ma sembra sia diffusa in modo uniforme in ogni luogo dell'Universo. Inoltre essa sembra avere un effetto trascurabile su qualsiasi oggetto più piccolo di un ammasso di Galassie. Ad esempio, non si osservano espansioni nella nostra Galassia (non ancora, per lo meno).

Noi non sappiamo assolutamente quale sia l'origine dell'Energia Oscura e molti ipotizzano che derivi dal vuoto stesso. Si sospetta che sia stata proprio l'Energia Oscura a rendere grande il "Big Bang" e ad alimentare la stupefacente espansione dell'Universo negli istanti immediatamente successivi al grande scoppio.

Non possiamo negare che la nostra ignoranza è grande in questo campo cosi affascinante e fondamentale. Possiamo solo dire che quando Hubble, nel 1920, capì che l'Universo è enormemente più grande della singola Galassia con cui veniva identificato, forse fu il trionfo definitivo della visione copernicana, la retrocessione degli esseri umani e delle loro faccende alla periferia della creazione. La scoperta della Materia Oscura e dell'Energia Oscura spinge il "nostro mondo" ancora più ai margini di ciò che sembra importante. Non solo il nostro piccolo pianeta ruota attorno al Sole, non solo la nostra Galassia è una dei tanti milioni di Galassie esistenti, ma si scopre anche che queste innumerevoli Galassie sono fatte di un tipo di sostanza secondaria che non è che un'aggiunta alla parte più cospicua e misteriosa dell'Universo.