Per la prima volta è stata rilevata e misurata la materia oscura. La notizia è sconvolgente perché la materia oscura costituisce il 95% della massa dell’universo, ma non emette, né assorbe luce – quindi non si vede. Che esista non lo sa quasi nessuno.

Un gruppo internazionale di astrofisici dell’Università del Michigan, diretto da Jörg Dietrich pubblica oggi su Nature, un lavoro epocale. Descrivono un enorme “filamento” di materia oscura lungo 58 milioni di anniluce e spesso 3 milioni di anniluce. Si trova a 2,7 miliardi di anniluce da noi e collega due ammassi di galassie chiamati Abell222 e Abell223. Questo enorme oggetto non si vede, ma la sua massa gravitazionale fa deviare la luce proveniente da altre galassie – il che ha permesso di misurarlo. La situazione somiglia, in scala molto maggiore, all’esperienza di Eddington che il 29 Maggio 1919 durante un’eclissi dl sole confermò che la luce di stelle lontane veniva deviata nel passaggio in prossimità della massa del sole, come previsto dalla teoria della relatività.

Dietrich e collaboratori hanno analizzato immagini ottenute dal telescopio Subaru a Mauna Kea e dal telescopio spaziale XMMM-Newton. Hanno calcolato le distorsioni dovute a oltre 40.000 galassie e le hanno confrontate con la distorsione totale. Le differenze hanno condotto a costruire un modello della forma e delle dimensioni dell’immane filamento di materia oscura.

Questa conferma è interessante, ma l’esistenza della materia oscura era data per certa già da decenni – in parte per le considerazioni che seguono, in parte per calcoli che descrivo brevemente più oltre.

L'espansione attuale del cosmo pare sia del tutto diversa da quella iniziale - chiamata "inflazione" e dovuta alla presunta esplosione iniziale. Infatti dovremmo attenderci che, a causa dell'attrazione gravitazionale, l'espansione dovrebbe frenare e infine giungere a un collasso che ricompatti tutta la materia. Non è così: negli anni ‘90 si scoprì che l'espansione del cosmo accelera. Deve esistere, dunque, una forza opposta alla gravità. È l’"energia oscura" - intuita da Einstein. Pare sia prodotta dallo spazio vuoto che, secondo le teorie quantistiche, è pieno di particelle virtuali che si formano, esistono per tempi minimi e scompaiono. Non si sa se l'energia oscura sia costante o variabile. Occorrono nuove osservazioni. Alcuni scienziati mirano a spiegare i meccanismi dell'energia oscura indagando cosa accada allo spazio, al tempo e alla materia ai margini di un buco nero. All'interno di un buco nero la gravità è tanto forte che nemmeno la luce ne può uscire, il tempo si ferma e la materia viene attratta inesorabilmente.

Questi fenomeni possono essere spiegati dall'esistenza di un tipo di materia diversa da quella nota. E', appunto, la materia oscura che costituirebbe il 95% dell'universo. E' priva di cariche elettriche, ma non di massa e interagisce con la materia a noi nota. Non produce radiazioni, non è fatta di atomi e di molecole, ma di particelle finora non osservate, ma solo ipotizzate. Fra queste, gli axioni: privi di carica e di spin e aventi una massa minima - si degraderebbero a fotoni. Fotini: previsti dalla teoria della supersimmetria e aventi spin 1/2. Neutralini e gravitini che hanno massa e che sono soggetti a interazioni deboli. Stentiamo a pensare che si possa parlare con precisione di oggetti che nessuno ha mai visto, nè misurato.

Ma, come dicevo, passiamo ai calcoli. Le formule che seguono sono molto semplici. Forse ricordate che una massa  m  che si muove alla velocità V, immagazzina una quantità di energia uguale a ½ m V2  (energia cinetica). Anche se non lo ricordate, potete trovarne la spiegazione nel Capitolo 5 del mio libro ANCHE TU FISICO.

Il teorema viriale fu dimostrato nel 1970 da Rudolf Clausius. Ne do qui una versione molto semplificata.

Una piccola massa m che ruota attorno a una massa M molto più grande seguendo una traiettoria circolare di raggio  R, che percorre alla velocità V, è sottoposta a una forza centrifuga   F =  m V2/R      che deve essere identica alla forza di attrazione         Fgrav = G m M/R2        ove G è la costante di gravitazione universale che vale 6,673  10-11 m3/kg . s2
cioè:
(m V2 )/R= G m M/R2    da cui:    m V2  = G m M/R 

L’energia cinetica (o forza viva, cioè l’energia immagazzinata nella mass  m  perché si muove alla velocità V) è
         E = ½ m V2   =  ½ G m M/R

Ma    (G m M/R)   è l’energia potenziale del campo gravitazionale considerato.

Il teorema viriale dice, appunto, che quando abbiamo masse in rotazione che si attraggono mutuamente, l’energia cinetica è uguale alla metà dell’energia potenziale.
        
In generale con molte masse in rotazione che si attraggono mutuamente (chiamando M  la loro massa totale e chiamando R il raggio medio misurato dal centro di rotazione)
M V2 = G M2 /R
da cui
M = R V2/G

Se possiamo misurare il raggio medio R e la velocità media V di una massa di corpi che ruotano e si attraggono, è immediato calcolarne la massa totale M. Questo è stato fatto per galassie e ammassi di galassie, la prima volta da Fritz Zwicki nel 1933 . Risultato: la massa calcolate è 20 volte maggiore di quella corrispondente alle stelle visibili. La massa del nostro sistema solare è concentrata nel Sole per oltre il 99%. È verosimile che accada lo stesso nel resto del cosmo. Invece no. Come detto sopra, si calcola con estrema semplicità che il cosmo è costituito in misura preponderante da cose che non si vedono e non emettono luce.

La scoperta di Dietrich & Co. sembra davvero epocale.