Rotazioni impossibili

La Via Lattea è una galassia di grandi dimensioni. Il Sistema Solare è situato a circa 25 mila anni luce dal centro, ricordo che la Via Lattea ha un'estensione di circa 100mila anni luce. Complessivamente, tutta la struttura galattica ruota attorno a un comune centro di massa, situato nelle vicinanze del centro galattico. Tutte le stelle si muovono nella stessa direzione, attorno al centro, con una piccola componente verticale di velocità dovuta all'attrazione gravitazionale causata dal disco galattico.
Se la osseviamo sullo stesso piano del disco, osserveremo un rigonfiamento centrale che si distingue bene dal resto del disco, più sottile, formato da diversi bracci. La determinazione della forma esatta non è così semplice. Paradossalemente, è molto più facile capire la forma della altre galassie perchè le vediamo nella loro interezza. Vivendoci dentro alcune strutture risultano occultate. Probabilmente la struttura a braccia è dovuta alla somma di vari effetti, tra cui una rotazione differenziata in funzione della distanza dal centro (di cui parlerò dopo), e una differente densità dei vari siti galattici.
Una terzo contributo potrebbe essere dovuto all'onda d'urto, causata dall'esplosione delle supernove.
Al centro della galassia c'è un buco nero (Sagittarius A, dal nome della costellazione in cui si trova). La sua esistenza è quasi certa perchè in quella zona è presente una fortissima sorgente di onde radio, e le stelle orbitano con velocità estreme attorno a un oggetto comune. Per quanto ne sappiamo oggi solo un buco nero può spiegare ciò che viene ossevato.

Parlando della galassia nel suo insieme, è interessante esaminare i vari modelli di rotazione differenti.

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Possiamo considerare la galassia come un disco rigido, e in questo caso tutti i punti hanno la stessa velocità angolare: ogni punto, indipendentemente dalla distanza dal centro, compie un giro nello stesso intervallo di tempo. Per analogia potete pensare alla ruota di una macchina, considerando due punti che stanno allineati su una retta passante per il centro.
Quella che cambia nei corpi rigidi è la velocità tangenziale, quella che intendiamo comunemente e che si esprime in metri al secondo o in km/h. In particolare, è noto che
dove R è la distanza dal centro. Questo significa che più ci allontaniamo dal centro più i punti si muovono velocemente. Nel caso della galassia i punti sono le stelle, e dovremmo osservare un andamento di questo tipo nella velocità delle stelle.

Sull'asse delle ascisse c'è il raggio, sulle ordinate la velocità
[Immagine dell'autore]

Possiamo invece considerare l'orbita delle stelle analoga a quella dei pianeti attorno al Sole. Dunque dovremmo descrivere tali moti utilizzando le leggi di Newton della gravità e di Keplero.
In questo caso i calcoli ci dicono che la velocità delle stelle dovrebbe diminuire mano a mano che ci allontaniamo dal centro, secondo questa legge:

Ascisse-raggio, ordinate-velocità
[Immagine dell'autore]

Bene, con questi modelli in mente osserviamo la distribuzione della velocità delle stelle misurata sperimentalmente (la linea blu)

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Osservate come l'andamento sia del tutto diverso da quello previsto.
Vicino al nucleo (a sinistra) l'andamento è effettivamente quello descritto da un moto di corpo rigido, mentre successivamente cala seguendo le leggi di Keplero. Il problema viene dopo, perchè a un certo punto la velocità risale, poi torna a scendere e infine si stabilizza a grandi distannze dal centro.
Questo è interessante, perchè ci permette di capire quale dev'essere la distibuzione della densità della massa della galassia quando V è costante. Conti alla mano, risulta che la densità deve scalare come l'inverso del quadrato della distanza. La densità diminuisce, ma la massa continua ad aumentare mano a mano che ci allontaniamo dal centro. A conti fatti, entro 40 kiloparsec, dev'essere contenuta una massa che è circa doppia di quella che effettivamente osserviamo. Il problema nasce tutto qui: è impossibile spiegare il moto di rotazione delle stelle se non assumiamo che esista una massa nascosta che non possiamo osservare. Una materia esotica, oscura. Un alone che circonda le galassie e le fa ruotare come osserviamo.

Sono state avanzate diverse ipotesi per cercare di identificare questa massa nascosta, vediamone qualcuna.

• Nane brune: sono stelle mancate, che non hanno innescato il processo di fusione nucleare, e sarebbero pertanto invisibili perchè non emettono luce.
• Nane nere: stelle morte, ormai troppo fredde per splendere.
• Buchi neri.

Il problema di questi tre candidati è che dovrebbero essercene una quantità veramente spropositata, e attualmente non esistono modelli che giustifichino la loro esistenza in numero così grande e nelle zone in cui dovrebbero stare.

Un altro approccio è quello di ipotizzare un nuovo tipo di materia che non esiste sulla Terra.
Le cosiddette WIMP sono le candidate che attualmente vanno "di moda". Esitono tanti modelli delle WIMP, ma finora nessuna verifica sperimentale ha rilevato qualcosa di utile per confermarli o smentirli.
La strada più radicale è quella che esclude la presenza di materia oscura. Questo però costringerebbe a modificare la Relatività Generale, la migliore teoria della gravità esistente attualmente, che è stata testata sperimentalmente con una precisione pazzesca. Quindi, per quanto interessante, questa strada è poco praticata.

Studi su varie galassie hanno portato alla conclusione che di questa materia oscura dev'essercene una quantità immensa. Si stima che circa il 25% dell'universo sia composto da materia oscura, e solo il 5% di materia ordinaria, quella di cui siamo fatti e con la quale interagiamo.

Recentemente due studi hanno però trovato qualcosa di strano. Ad oggi sono note tre galassie (due di queste annunciate pochi giorni fa, il 20 Marzo) che sembrano contenere poca materia oscura o non contenerla affatto. A uno dei più grandi enigmi della fisica moderna si aggiunge un pezzetto che rende tutto ancora più difficile. Perchè queste galassie non contengono materia oscura?
Ne smentiscono l'esistenza? Al contrario: adesso è più chiaro che materia ordinaria e oscura possono non viaggiare assieme, ma allo stesso tempo queste scoperte mostrano che quando non c'è la materia oscura, le teorie della gravità funzionano benissimo.

Fonti

• https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0d92
• https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0e8c
• Observing Dark Sector
• Dark matter genesis beyond WIMP paradigm
• Dark Matter Probe

Immagine CC0 Creative Commons, si ringrazia @mrazura per il logo ITASTEM.
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