Universo lato oscuro

• Forse la materia ordinaria,
quella per intendersi di cui
siamo fatti noi e tutti gli
oggetti che conosciamo, è
solo una piccola
percentuale della materia
presente nell’universo!
• Il resto potrebbe essere
una forma sconosciuta di
materia e di energia:
• Materia Oscura
• Energia Oscura

Il lato oscuro dell’Universo
11/1/2015

• La storia ebbe inizio nel
1933 quando
l'astronomo Fritz Zwicky
stava studiando il moto
di ammassi di galassie
lontani e di grande
massa, nella fattispecie
l'ammasso della Chioma
e quello della Vergine
11/1/2015

11/1/2015
• Zwicky stimò la massa di ogni galassia dell'ammasso
basandosi sulla sua luminosità, e sommò tutte le masse
galattiche per ottenere la massa totale dell'ammasso.

11/1/2015
• Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa
totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità
individuali delle galassie nell'ammasso…

11/1/2015
• Con sua grande sorpresa, questa seconda stima di massa
dinamica era 400 volte più grande della stima basata
sulla luce delle galassie.

11/1/2015
• Una ulteriore evidenza osservativa della necessità della materia
oscura fu fornita dalle curve di rotazione delle galassie spirali. Le
galassie spirali contengono una vasta popolazione di stelle poste su
orbite quasi circolari attorno al centro galattico.

11/1/2015
• Gli astronomi hanno condotto osservazioni delle velocità orbitali delle
stelle nelle regioni periferiche di un gran numero di galassie spirali, e
in nessun caso esse seguono la terza legge di Keplero.
• Invece di diminuire a grandi raggi, le velocità orbitali rimangono con
ottima approssimazione costanti.

11/1/2015
• L'implicazione è che la massa racchiusa da orbite di raggio via via
maggiore aumenti, anche per stelle che sono apparentemente vicine
al limite della galassia.

• Le leggi della gravità potrebbero essere sbagliate?
11/1/2015

• Può essere materia
ordinaria che non emette
luce ?
• Esempio gas
interstellare?
11/1/2015

• Il gas interstellare non è il responsabile della deflessione
osservata!!!
11/1/2015

• La densità critica dell'Universo, supposto euclideo e
senza costante cosmologica (modello di Einstein-de
Sitter), esprime la densità che discrimina l'universo
chiuso da quello aperto, vale a dire tra quello dominato
dalla gravità (densità maggiore di quella critica) da quello
dominato dall'espansione (densità minore di quella
critica).
• Le stime di densità di materia dedotte dai fenomeni
precedentemente descritte indicano una densità media
pari a circa il 32% della densità critica.
11/1/2015

Solo i primi tre elementi si
sono formati nel Big Bang
Tutti gli altri si sono
formati nelle stelle!

• Ci sono due importanti caratteristiche della nucleosintesi primordiale
(in inglese BBN: Big Bang nucleosynthesis) nell'ambito del Big Bang:
• La sua durata è stata di circa tre minuti, dopodiché la temperatura e
la densità dell'universo sono cadute sotto i valori richiesti per
la fusione nucleare. La brevità del processo è importante perché ha
fatto sì che elementi più pesanti del berillio non si siano formati,
mentre ha mantenuto elementi leggeri come il deuterio
• È stata ubiquitaria nell'intero universo
• Il parametro chiave che consente di calcolare gli effetti della
nucleosintesi è il numero di fotoni per barione. Questo parametro
corrisponde alla temperatura ed alla densità dell'universo iniziale e
permette di determinare le condizioni sotto le quali la fusione
nucleare ha avuto luogo. Da ciò si può derivare l'abbondanza
cosmica degli elementi.
11/1/2015

• L'accordo tra le abbondanze previsti e osservati di
deuterio , l'elio -3 , l'elio - 4 , e litio -7 conferma il
modello di cosmologia standard e permette la
determinazione accurata della densità barionica , tra
1,7 x 10 ( -31 ) e 4,1 x 10 ( -31 ) grammi per centimetro
cubo
• Questo corrisponde a circa 5% della densità critica!
• Ma allora da cosa è composto il restante 23% di
materia gravitazionale dell’Universo???
11/1/2015

• Nel tentativo di unificare la gravità con la altre interazioni
fondamentali, è stato suggerito che ogni particella
fondamentale dovrebbe avere una particella “ombra” di
massa molto più elevata;
• Al momento non c’è alcuna evidenza sperimentale di tali
particelle dette “supersimmetriche”
11/1/2015

• I neutralini previsti dalla teoria possiedono tutte le proprieta che la
materia oscura deve possedere e fornirebbero in maniera naturale
l’abbondanza osservata di materia oscura
• - privi di carica elettrica altrimenti interagirebbero e.m.
• - privi di carica di colore altrimenti potrebbero formare stati legati nucleari anomali
• - debolmente interagenti con la materia ordinaria
• - stabili : altrimenti sarebbero già decaduti
• - rivelabili (!) : un buon candidato deve essere anche rivelabile
11/1/2015

• La radiazione cosmica di fondo, abbreviata spesso in CMBR,
dall'inglese cosmic microwave background radiation, è la radiazione
elettromagnetica residua prodotta dal Big Bang che permea
l'universo
11/1/2015

• Le oscillazioni acustiche sorgono a causa della competizione
tra fotoni e barioni nel plasma dell'universo primordiale.
• La pressione dei fotoni tende a cancellare le anisotropie, mentre
l'attrazione gravitazionale dei barioni, in movimento a velocità molto
più basse della luce, li porta a collassare formando così densi aloni.
11/1/2015
• Questi due effetti sono in
competizione tra loro,
creando le oscillazioni
acustiche che danno al
fondo a microonde la sua
caratteristica struttura a
picchi.

• La densità di materia-
energia dell’universo deve
quindi essere uguale alla
densità critica…
• Ma la somma della densità
della materia barionica e
della materia oscura
ammonta “soltanto” ad un
valore fra il 27 e il 32 %
della densità critica!
• Manca ancora qualcosa!
11/1/2015

• Osservando attentamente le
supernove lontane, gli astronomi
hanno scoperto che erano più
deboli di quanto ci si attendesse;
• La spiegazione più plausibile di
questa discrepanza è che la
luce delle supernove esplose
miliardi di anni fa ha percorso
una distanza superiore a quella
prevista dai teorici.
• Questa spiegazione, a sua
volta, ha fatto concludere che
l’espansione dell’universo sta
accelerando e non
rallentando!
11/1/2015

• Le due principali forme proposte di energia oscura sono la costante
cosmologica e la quintessenza.
• La costante cosmologica è una densità d'energia costante che
riempie omogeneamente lo spazio e fisicamente equivalente
all'energia del vuoto. L'aggiunta di una costante cosmologica nella
teoria di base della cosmologia.
• La quintessenza è un campo dinamico la cui densità d'energia varia
nello spazio e nel tempo.
11/1/2015

• Roger Penrose, nel libro Dal Big Bang all'eternità, afferma
che l'infinitamente piccolo allora equivarrà all'infinitamente
grande, e l'universo apparentemente freddo e morto potrebbe
così dare origine, per effetto dell'annullamento delle leggi
fisiche precedenti, ad un nuovo Big Bang .
• L'attuale universo sarebbe uno degli infiniti "eoni" (ognuno
della durata di 10100) che costituiscono l'eterno universo.
Penrose afferma che la prova sarebbe contenuta
nella radiazione di fondo.
11/1/2015
• Se l’espansione dell’universo non rallenterà alla fine la materia e l'energia si
dissolveranno anch'esse, i buchi neri assorbiranno il restante, evaporando
poi tramite la radiazione di Hawking; solo i fotoni continueranno ad esistere,
senza gravità.
• Alcuni scienziati, che accettano il modello, sostengono che il tempo si
fermerà e si annulleranno le dimensioni e le distanze.

Ci sono più cose in cielo e in terra, Orazio, di quante ne sogni la tua
filosofia…
William Shakespeare, “Amleto”
11/1/2015

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