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0463. Materia oscura ed Onde gravitazionali

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La presenza di materia oscura non influisce sul moto delle onde gravitazionali? Se si, non avendo ancora una conoscenza precisa a riguardo, come è possibile fare calcoli su masse e distanze e posizione delle sorgenti di onde gravitazionali? (Ettore)

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Caro Webnauta, la tua è una domanda interessantissima. Al momento la risposta è no, ma forse in un futuro sarà possibile ottenere informazioni sulla materia oscura anche tramite questo fenomeno.

Secondo la teoria della gravitazione universale formulata da Newton, ogni oggetto crea un campo che attrae a sé altri corpi dotati di massa. La forza di gravità è molto debole, per cui sono necessari oggetti immensi come i corpi celesti per poterne vedere l’effetto.

La teoria della Relatività Generale (RG) di Einstein generalizza quella di Newton: tra le altre cose include particelle di pura energia come la luce. La RG fu verificata per la prima volta proprio osservando la luce emessa dalle stelle dell’ammasso stellare delle Iadi in occasione dell’eclissi solare del 1919. La stella si trovava geometricamente dietro il Sole, ma la RG prevedeva che i raggi di luce dovessero essere deviati dal campo gravitazionale del Sole. La stella fu vista come previsto e da allora vi sono state innumerevoli verifiche alla RG.

Alla base della teoria di Einstein c’è il principio di equivalenza, già scoperto da Galileo: tutti I corpi cadono alla stessa maniera, ossia con la medesima accelerazione. Questa è una proprietà unica della gravità che non è riscontrata nelle altre forze fondamentali come l’elettromagnetismo e quelle nucleari.

Nessuno ha idea del perché sia così: Einstein accettò l’evidenza sperimentale come assioma da cui sviluppò la sua teoria, studiandone le implicazioni. Una di queste afferma che ogni corpo distorce lo spazio-tempo in maniera proporzionale alla sua massa. La distorsione dello spazio tempo causata dal Sole fu quella che permise le osservazioni delle stelle in quel fatidico giorno del 1919.

Se il corpo è in movimento, la distorsione del campo gravitazionale sarà a sua volta dinamica e creerà a sua volta delle impercettibili perturbazioni nello spazio-tempo. Queste ‘onde’ gravitazionali sono enormemente più piccole di quelle che può causare un batterio che si muove sulla superficie del mare.

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Tuttavia (finalmente!) lo strumento LIGO negli Stati Uniti è stato in grado di rivelare il segnale proveniente da alcune coppie di buchi neri che cadono uno sull’altra. Anche l’interferometro Virgo si è unito nella misura delle onde gravitazionali. In futuro, con strumenti più sensibili, dovremmo poter rivelare collisioni stellari più piccole e fare astronomia con questi apparati.

La materia oscura è un mistero che ci sfida da quasi un secolo: i dati sperimentali e le teorie più accreditate affermano che dovrebbe essere costituita da particelle di massa molto piccola ma in quantità talmente enormi da ammontare a circa 25% della massa dell’Universo, 5 volte tutta la massa di stelle, pianeti e galassie.

Questo fluido è trasparente ad ogni tipo di radiazione elettromagnetica, ma permea sia la Via Lattea che le altre galassie. Localmente è stato rivelato tramite l’effetto di collante che ha sul moto di rotazione delle stelle nelle galassie. Su distanze cosmologiche se ne vede l’effetto attraverso l’ingrandimento che genera sulle immagini di galassie ancora più lontane. Queste ‘lenti’ gravitazionali distorcono la luce emessa dalle galassie ancora più distanti, ingrandendone l'immagine e spesso creandone immagini multiple. Dalla forma di questi miraggi spaziali si può rivelare la presenza e la quantità di materia oscura.

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Le particelle che la costituiscono si muovono però molto lentamente, più o meno alla stessa velocità delle galassie e non sono quindi in grado di generare onde gravitazionali data la loro eterea densità. È per lo stesso motivo che non dovrebbero essere in grado di distorcere o modificare le onde gravitazionali emesse dagli enormi buchi neri quando collassano tra loro.

Nei primi istanti dopo il Big Bang, tuttavia, la materia oscura era molto più densa (tutto era moooolto più denso) e potrebbe aver influenzato le perturbazioni della radiazione emessa quando si sono formati i primi atomi neutri. Qualche anno fa un esperimento aveva affermato di essere riuscito ad osservare questo segnale. Questa misura si è dimostrata essere errata, ma in un futuro dovrebbe esser possibile rivelare questo segnale e far finalmente luce sulla materia oscura.


Marco Casolino, fisico

ultimo aggiornamento luglio 2017

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