Giovanni Della Lunga

11/1/2015

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• 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

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• 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

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• 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.

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• Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa

totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità

individuali delle galassie nell'ammasso…

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• Con sua grande sorpresa, questa seconda stima di massa

dinamica era 400 volte più grande della stima basata

sulla luce delle galassie.

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• 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.

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• 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.

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• 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.

Il lato oscuro dell’Universo

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• Le leggi della gravità potrebbero essere sbagliate?

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• Può essere materia

ordinaria che non emette

luce ?

• Esempio gas

interstellare?

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• Il gas interstellare non è il responsabile della deflessione

osservata!!!

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• 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.

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Il lato oscuro dell’Universo

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Solo i primi tre elementi si

sono formati nel Big Bang

Tutti gli altri si sono

formati nelle stelle!

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• 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.

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• 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???

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• 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”

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• 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

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Il lato oscuro dell’Universo

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• 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

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WMAP satellite

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• 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.

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• Questi due effetti sono in

competizione tra loro,

creando le oscillazioni

acustiche che danno al

fondo a microonde la sua

caratteristica struttura a

picchi.

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• 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!

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• 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!

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• 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.

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• 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.

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• 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”

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