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La materia oscura nelle galassie a
spirale
Annibale
D'Ercole
Osservatorio
Astronomico - Bologna
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Le galassie a
spirale sono tipicamente composte da un nucleo centrale (il bulge) e da
un disco più sottile, su cui stelle e nubi di idrogeno freddo (circa -200° C)
orbitano attorno al centro. Gran parte della massa sembra dunque collocata
nel bulge e ci si aspetta che le stelle sul disco
si muovano attorno ad esso come i pianeti si muovono attorno al Sole. Questi
ultimi, com’è noto, hanno una velocità di rivoluzione tanto minore, quanto
maggiore è la loro distanza dal nostro astro. Questo comportamento è
strettamente legato all’andamento della forza di gravità che decresce come
l’inverso del quadrato della distanza. Perché un pianeta rimanga stabilmente
sulla sua orbita senza allontanarsi indefinitamente o precipitare sul Sole, è
necessario che la forza di gravità esercitata dal Sole sia equilibrata dalla
forza centrifuga, derivante dal moto circolare del pianeta (qui trascuriamo
gli schiacciamenti, in genere piccoli, delle orbite planetarie che ne fanno
delle ellissi piuttosto che dei cerchi). Dal momento che la forza centrifuga
è tanto maggiore, quanto maggiore è la velocità orbitale, i pianeti più
lontani devono muoversi più lentamente per equilibrare la gravità più debole
a quelle distanze. Questo andamento decrescente della velocità con la
distanza dal centro viene detto kepleriano, dall’astronomo Johannes Kepler
(1571-1630) che per primo descrisse le proprietà orbitali dei pianeti. (Fig. 1)
Fig. 1. La galassia ngc 4565 è una tipica galassia a
spirale vista di taglio. Sono particolarmente evidenti il bulge e il disco [Crediti: B.
Hugo e L. Gaul, A. Block
(kpno visitor program), noao, aura,
nsf] Torniamo
ora alle galassie a spirale, nella cui categoria ricade, com’è noto, anche
Fig.
2. Curva
di rotazione della nostra Galassia. Se
le stelle, sul piano galattico, si comportassero come i pianeti nel Sistema
solare, la loro velocità orbitale, come abbiamo detto, avrebbe un andamento
kepleriano, con gli astri che si muovono tanto più lentamente quanto maggiore
è la loro distanza dal bulge. Le osservazioni danno
però un risultato sorprendente. La curva
di rotazione delle galassie (ovvero l’andamento della velocità delle
stelle in funzione del raggio orbitale) non decresce all’aumentare della
distanza, ma rimane costante. Questo implica l’azione di una gravità
superiore a quella dovuta al solo bulge, altrimenti
le stelle distanti si allontanerebbero dalla galassia a causa dell’eccessiva
forza centrifuga. Affinché la curva di rotazione rimanga costante, è
necessario ipotizzare che la galassia sia immersa all’interno di un alone
sferico la cui densità decresce con l’inverso del quadrato del raggio. Per
verificare l’estensione di questo alone invisibile, gli astronomi misurano,
tramite l’emissione radio alla lunghezza d’onda di
Fig.
3. Schema
di una galassia a spirale, immersa in un alone di materia oscura. In
conclusione, dallo studio delle curve di rotazione delle galassie a spirale
risulta che la massa visibile composta dalle stelle è solo un decimo della
massa totale, la cui gravità è necessaria per tenere insieme le galassie
stesse. La maggior parte della massa è distribuita in un grande alone che
avvolge le galassie e, non emettendo luce, non può essere osservata
direttamente, ma solo tramite i suoi effetti gravitazionali sulla materia
luminosa. Sarebbe naturale ipotizzare che l’alone scuro sia composto da
stelle “morte” (buchi neri, stelle di neutroni, nane bianche) o da oggetti
delle dimensioni dei pianeti (che non sono stati in grado di innescare le
reazioni nucleari) che non emettono luce e risultano dunque invisibili.
Tuttavia, considerazioni cosmologiche (in cui non ci addentriamo) indicano
che questa materia oscura debba essere composta essenzialmente da particelle “esotiche”, ovvero particelle
elementari ancora non osservate in laboratorio, ma la cui esistenza è
prevista dalle attuali teorie sulla struttura della materia.
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