La materia oscura e la formazione delle galassie

La materia oscura e
la formazione delle galassie
Annibale D'Ercole
Osservatorio Astronomico - Bologna

E' noto già da alcuni decenni che la massa delle galassie deve essere molto maggiore – fino a 10 volte – di quella luminosa (cioè stelle e gas). Benché non la si possa vedere direttamente, possiamo dedurre la presenza di questa massa in eccesso dai suoi effetti gravitazionali: le stelle nelle galassie hanno velocità così alte che la gravità dovuta alla loro mutua attrazione non sarebbe sufficiente a trattenerle e le galassie si smembrerebbero rapidamente.
Dunque, ci deve essere una gravità supplementare dovuta a materia che però non si vede. Analogamente, le galassie in un ammasso si allontanerebbero velocemente le une dalle altre se a trattenerle non fosse una gravità superiore a quella data dalla loro reciproca attrazione. Pertanto, negli ammassi deve essere presente più materia scura di quella associata alle singole galassie.

Inoltre, questa materia "misteriosa" potrebbe trovarsi anche negli spazi tra galassie ed ammassi di galassie. La nostra Galassia fa parte del Gruppo Locale di cui è il membro più grande insieme alla galassia di Andromeda e ad una trentina di galassie nane. Ebbene, tutte queste galassie – un autentico torrente di stelle – si muovono a 600 km/s verso un punto del cielo ribattezzato il Grande Attrattore; tuttavia, puntando i telescopi in questa direzione non si nota nulla di particolare.
Potrebbe dunque esserci un enorme aggregato di materia scura che ci attrae in questa direzione.

In generale, il conteggio di galassie in grandi volumi di universo osservabile indicano che la materia scura è circa 30 volte più abbondante di quella luminosa.
Si tratta di capire quale sia la natura di questa materia scura. Potrebbe essere composta da una miriade di piccoli oggetti delle dimensioni di pianeti, oppure buchi neri, che risulterebbero del tutto invisibili ai nostri telescopi.
In realtà gli astronomi sospettano che la maggior parte della materia scura non sia formata dall’ordinaria materia barionica (protoni e neutroni) ma da qualche forma di materia non ordinaria.

Per capire qualcosa di più a questo riguardo bisogna considerare l’evoluzione dell’universo nel suo insieme e sconfinare nella cosmologia.
E' noto che l’universo è in espansione e le galassie si vanno allontanando l’una dall’altra. Estrapolando a ritroso nel tempo, si ritiene che l’universo sia nato da una grande esplosione iniziale – il Big Bang – le cui "schegge" si stanno allontanando. Nei primissimi istanti la temperatura era così elevata che la materia era disgregata in forma di particelle elementari subatomiche. Al diminuire della temperatura con il tempo le particelle si "coagulavano" in protoni e neutroni, dando luogo alla materia ordinaria. I protoni ed i neutroni interagivano tra loro tramite processi di fusione, originando, tra l’altro, nuclei di deuterio (protone + neutrone); questi ultimi, a loro volta, si fondevano in nuclei di elio ordinario (2 protoni + 2 neutroni).
Dopo i primi tre minuti la temperatura e la densità dell’universo erano diminuite al punto da non rendere più possibili ulteriori reazioni nucleari. A questo punto l’universo era composto essenzialmente da idrogeno (75%) ed elio (25%) e da pochi altri elementi presenti in tracce bassissime. Tutti gli elementi pesanti che conosciamo vennero sintetizzati successivamente all’interno delle stelle, e rimessi in circolazione dalle esplosioni stellari note come supernovae.

Tra i vari elementi sintetizzati nei primi minuti, il deuterio ha la particolarità di essere tra i più sensibili alla densità della materia al momento della sua sintesi. Benché prodotto in scarsa quantità, gli astronomi sono in grado di misurarne l’abbondanza presente nel gas interstellare in regioni scarsamente "inquinate" dalle successive esplosioni di supernovae. Si può dunque risalire all’abbondanza originale di deuterio e da questa, per quanto detto prima, alla densità di materia ordinaria. Essa risulta essere circa quattro volte superiore a quella luminosa. Dal momento che la materia scura, come abbiamo visto, è molto più abbondante, risulta che deve essere composta da qualche forma di materia "esotica".
Gli astronomi considerano due possibilità riguardo a tale materia.

Materia scura calda
Durante il Big Bang sono state create enormi quantità di neutrini. Benché la loro massa sia molto piccola, il loro numero è tale che immensi "nuvoloni" iniziali di neutrini avrebbero potuto sviluppare una gravità tale da collassare su sé stessi, formando le prime strutture. Essendo molto leggeri, i neutrini si muovono a velocità vicine a quella della luce. In analogia ai gas ordinari, in cui la velocità di agitazione termica determina la temperatura, questo tipo di materia scura viene detta "calda".

Materia scura fredda
Le attuali teorie sulle particelle elementari prevedono che, nelle condizioni presenti nei primi istanti del Big Bang, si formino particelle genericamente denominate WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). Contrariamente ai neutrini, la reale esistenza di queste particelle non è stata ancora verificata nei laboratori di fisica. A causa della loro massa elevata, infatti, la produzione di tali particelle richiede energie enormi non ancora disponibili negli attuali acceleratori di particelle. Essendo più pesanti dei neutrini, queste particelle si muovono più lentamente, e la materia scura in questo caso viene detta "fredda".

Nel quadro della materia scura calda, strutture di piccola massa non sono inizialmente in grado di collassare a causa dello "sciamare" dei neutrini in ogni direzione. In questo caso si sarebbero formate dapprima le grandi strutture, quali gli ammassi di galassie. Solo successivamente queste si sarebbero "frammentate" in oggetti più piccoli come le galassie.
Questo schema gerarchico viene detto top-down (dall’alto in basso). La materia ordinaria (protoni e neutroni) che compone le galassie che osserviamo è poco abbondante ed esercita una gravità trascurabile. Essa si aggrega non a causa della propria gravità, ma a causa della formazione delle strutture di materia scura verso cui è attratta.

Nello scenario della materia scura fredda, invece, i WIMPS, più lenti e pesanti, formano dapprima strutture relativamente piccole all’interno delle quali viene attratta la materia ordinaria che dà luogo a piccoli ammassi stellari o galassie nane. Solo successivamente, in un processo detto merging, queste strutture più piccole si attraggono formando galassie ed ammassi di galassie. Merging di galassie vengono effettivamente osservati, ma non sappiamo se si tratta di episodi isolati o di un processo generale che sta alla base della formazione delle galassie più grandi.
Questo schema di formazione delle strutture viene detto bottom-up (dal basso in alto).

Le simulazioni numeriche tramite grandi calcolatori mostrano che la materia scura calda, a causa di questa sua caratteristica, è "restia" a collassare in strutture relativamente piccole. Dopo 15-20 miliardi di anni (l’età stimata dell’universo) le simulazioni mostrano una presenza eccessiva di grandi strutture ed una penuria di strutture minori rispetto alle osservazioni dell’universo su larga scala. Al contrario, la materia scura fredda, nonostante alcune difficoltà di cui non ci occupiamo in queste pagine, sembra riprodurre bene la distribuzione osservata di materia luminosa.

Pertanto gli astronomi sono portati a preferire l’ipotesi di una materia scura fredda, nonostante quest’ultima, al contrario dei neutrini, sia solo ipotizzata dalle attuali teorie sulle particelle elementari e non sia stata ancora osservata. I futuri sviluppi nello studio dell’infinitamente piccolo saranno illuminanti per la comprensione dell’infinitamente grande.