Come scoprire la materia oscura con lo spettroscopio.

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

a cura di Claudio Della Volpe

Il giorno di Natale 2016 è morta Vera Rubin, una della più grandi astronome di tutti i tempi e con la sua morte si è chiusa la possibilità di assegnarle il premio Nobel per la fisica (il premio può essere assegnato solo a scienziati viventi) per aver contribuito alla scoperta della materia oscura.

Come vedete non solo noi italiani avremmo da lamentarci per il comportamento delle commissioni Nobel, ma anche le donne; infatti delle 50 donne che hanno ricevuto il prestigioso riconoscimento (il 4%) solo 18 lo hanno ottenuto nelle materie scientifiche e di queste solo due in fisica (Marie Sklodowska e Maria Goeppert), Vera sarebbe stata la terza; casomai lo avrebbe condiviso con Jan Oort e Fritz Zwicky, morti anche loro. Ma non lo hanno ricevuto.

Cosa ha fatto di importante Vera?

Abbiamo già parlato di questi temi. Era nata nel 1928 da una famiglia dell’Europa dell’Est immigrata in USA; studiò fisica e si laureò in astronomia a Cornell.

Vera Cooper Rubin at the Lowell Observatory. Kent Ford has his back to us. © Bob Rubin. Cit. da http://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=10&secNum=2

Dato che era affascinata dal moto delle galassie la sua tesi fu su questo tema e scoprì che esisteva quello che oggi chiamiamo il superpiano galattico ossia il piano equatoriale del nostro gruppo “locale” di galassie; successivamente durante il suo dottorato alla Georgetwon University studiò proprio l’argomento dei gruppi locali di galassie e finalmente incontrò Kent Ford che aveva costruito il migliore spettrofotometro dell’epoca per applicazioni astronomiche basato su un sensibilissimo tubo fotomoltiplicatore. Le possibili applicazioni erano moltissime, ma per vari motivi legati all’uso del tempo macchina sui grandi telescopi decisero di usarlo per analizzare il moto di Andromeda, uno dei più begli oggetti celesti visibili nell’emisfero occidentale, una galassia che è anche per inciso la più vicina a noi, la nostra più stretta compagna di viaggio.

Questo lavoro pubblicato nel 1970 (dal quale sono tratte le immagini seguenti) segnò definitivamente la sua vita scientifica. Vera era al tempo l’unica donna autorizzata a mettere le mani sul prezioso telescopio da 5 metri di Monte Palomar, all’epoca il maggiore del mondo e fece fruttare le sue capacità.

Esaminò il moto di numerose zone della grande galassia e trovò un risultato sconcertante; tutto sommato il metodo è semplice e si può realizzare anche in modo casalingo seppure non a questo livello di sensibilità. Per esempio si può sfruttare da casa per misurare la velocità di rotazione del Sole con buona approssimazione. Si tratta di sfruttare l’effetto Doppler applicato alle radiazioni luminose; se un oggetto che emette radiazioni si avvicina o si allontana da noi succede quello che avviene anche con le oscillazioni sonore; se il generatore si allontana la frequenza diminuisce mentre se si avvicina la frequenza aumenta; (questo corrisponde a sentire più acute le sirene delle ambulanze che si avvicinano a voi e più profonde quelle che si allontanano). Fateci caso la prossima volta che un’ambulanza vi sorpassa.

Con la luce questo corrisponde al fatto che le radiazioni si spostano rispettivamente verso il violetto (si avvicina) o verso il rosso (si allontana). Dato che è possibile apprezzare le bande di emissione e di assorbimento di oggetti come Andromeda con grande precisione, per esempio come vedete nella figura le radiazioni dell’idrogeno (Hα e Hβ a circa 656 nm, la quarta della serie di Balmer nel visibile) che ne costituisce buona parte della massa, si può capire a quale velocità relativa ruotino le diverse parti della galassia e le velocità relative (si possono apprezzare pochi chilometri al secondo di differenza) misurando lo spostamento delle righe dell’idrogeno nelle due direzioni; i risultati degli spettri precedenti sono alquanto “piatti”, ossia la velocità di rotazione di Andromeda è costante in qualunque zona la si consideri, come si vede anche nel grafico qui sotto; Andromeda ruota come un oggetto solido, come a volta fanno vedere nei film di fantascienza! Ma questo è in enorme conflitto con la legge di gravitazione universale; nel nostro sistema solare i pianeti più lontani dal Sole ruotano più lentamente e ci si aspetta che lo stesso facciano anche le galassie, ma non è questo il caso; la cosa sarebbe spiegabile solo se la massa di quelle galassie fosse molto maggiore di quella stimabile dalla loro luminosità.

Rubin e altri astronomi confermarono questo risultato su decine di altre galassie e la risposta costante fu che le galassie NON ruotano come ci si aspetterebbe; lo strumento fu prevalentamente lo spettroscopio, l’umile spettroscopio che usiamo anche noi ogni giorno in laboratorio.

Quali spiegazioni ci sono?

O la legge di gravitazione non funziona a grandi distanze, oppure esiste una massa “oscura” che non si vede, che non si può stimare con i metodi tipici dell’astronomia (che è in grado di correlare la massa di un oggetto stellare e la sua luminosità); questa seconda spiegazione è quella oggi accettata e che ha portato al fermento di studi sulla materia oscura; una massa ben più grande di quella visibile, ma costituita di particelle elementari debolmente interagenti con le altre e che si concentrerebbe sul piano galattico (e se è per questo sarebbe presente in ogni dove, anche attraverso il vostro corpo mentre mi leggete e la sua massa sarebbe varie volte maggiore della vostra). Un universo parallelo di materia oscura permea secondo questa teoria ogni parte dell’universo visibile; date le striminzite interazioni possibili fra la materia oscura e quella normale di cui siamo costituiti nulla di significativo avviene se non il reciproco effetto gravitazionale.

Vera non era entusiasta di questa interpretazione:

“mi piacerebbe sapere che le leggi di Newton possano essere modificate in modo da descrivere correttamente le interazioni gravitazionali a grandi distanze. Questo è più attraente di un universo pieno di un nuovo genere di particelle sub-nucleari“. · ^ (EN) Michael Brooks, 13 things that do not make sense, in New Scientist, 19 marzo 2005;

Questa posssibilità è al momento esclusa e d’altronde recentemente sono state individuate galassie non lontane e composte quasi interamente di materia oscura.

Voi che ne dite?