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Materia oscura, antimateria, energia oscura,
esistono davvero ?
Diamo un’occhiata al nostro amico familiare, l’elettrone. L’elettrone è una particella carica, con una massa di m = 9.11×10−31 kg e una carica di q = 1,6 × 10-19 C.
In un campo magnetico, l’elettrone segue una traiettoria curva perché viene caricata. In forma scalare, il raggio di curvatura è dato da
dove v è la velocità della particella, m è la sua massa, q è la sua carica e B è la forza del campo magnetico. (Possiamo semplificarne ulteriormente esprimendo la velocità come differenza potenziale applicata). Ora, questo vale per qualsiasi particella carica.
Questa è una foto di una particella in una cloud camera Non riescite a vederlo? È la linea sottile curva! Come possiamo sapere quale è la particella? Possiamo utilizzare l’equazione di cui sopra. Conosciamo il campo magnetico, il potenziale e il raggio misurando la foto sopra, in modo da poter trovare il rapporto carica-massa. Si scopre che la particella nella foto aveva la stessa massa e carica come un elettrone … ma con il segno contrario! Questa particella aveva le stesse proprietà di un elettrone, ma la carica opposta. Questa è la definizione di una anti-particella, e la particella sopra è stata chiamata “positrone”. La scoperta è stata fatta da Carl Anderson per la quale gli è stato assegnato il Premio Nobel nel 1936. Antimateria? Esiste !
Eccoci a casa nostra, la Via Lattea.
Una curva di rotazione è un grafico della velocità di un corpo rispetto alla sua distanza dal centro galattico. Con la legge di gravitazione di Newton, ci aspettiamo che dopo una certa distanza, la velocità di un corpo aumenti di gran lunga man mano che usciamo dall’attrazione. Tuttavia, invece, si osserva qualcosa di peculiare. Guardiamo la nostra curva di rotazione, anche se questo è visibile in tutte le altre galassie.
La curva attesa dalla gravità newtoniana è la curva blu e quella osservata è verde. Non solo la curva di rotazione osservata più alta, inizia a appiattirsi! Ciò che il grafico ci dice è che ci deve essere una grande quantità di un’altra massa che non possiamo vedere, fornendo una forza gravitazionale che blocca la curva dalla caduta. Questa materia non emette luce e interagisce solo gravitazionalmente, cioè “materia oscura”.
Un’altra motivazione impegnativa che non è spesso citata ma mi piace comunque è la formazione di corpi altamente strutturati.
Nel primo universo la distribuzione della materia non era uniforme, ma le variazioni erano minuscole. E voglio dire piccolo. Come, 0,001% (che è un cambiamento di circa 10-5). Ma siamo sul pianeta Terra! Che ha un cambiamento dalla densità media di circa 2 × 1030
. Questo è notevolmente diverso dall’universo primordiale. Allora, come è possibile? Esistiamo, quindi qualcosa deve aver causato la crescita della densità in alcuni luoghi.
Allora come facciamo a sapere cosa provoca la perturbazione? Utilizzando un po ‘di matematica e l’equazione di Friedmann, possiamo considerare ununiverso dominato dalla materia, radiazione e da una costante cosmologica.
E se il colpevole fosse la materia? Questo dà una crescita lenta e un cambiamento di densità di oggi solo di 10-2 , che non è chiaramente sufficiente per spiegare la nostra esistenza. Giusto, e per quanto riguarda la radiazione?
La radiazione potrebbe essere la ragione? Questa è ancora più lenta della materia. La costante cosmologica è ancora peggiore, e la perturbazione in densità si ferma. La soluzione è la materia oscura, che consente di far crollare la materia barionica normale, formando i semi di partenza per le galassie. La materia scura !
Infine, arriviamo all’energia oscura. Ora, è un’osservazione empirica che l’universo si stia espandendo. Edwin Hubble lo ha dimostrato in modo elegante in un grafico che dimostra che più grande è una galassia, maggiore è la sua velocità da noi. Tuttavia, questa espansione sta accelerando. La domanda naturale da chiedere è cosa sta guidando questa espansione?
L’energia oscura è una classe di modelli che spiegano questa espansione. Dal modo definito, deve esistere energia oscura perché vediamo un’espansione accelerata. Un tale modello è la costante cosmologica che guida l’espansione. La densità energetica della costante cosmologica necessaria per spiegare l’espansione dell’universo è di 10-124 volte inferiore alla densità energetica prevista dalla teoria quantistica. Quindi … leggermente diverso, si può dire! Tuttavia, questo non è l’unico modello e la ricerca è ancora in corso sia sulla materia oscura che sull’energia.
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