Il lato oscuro del nostro Universo

Il lato oscuro del nostro Universo
Fiorenza Donato
Dip. Fisica Teorica &Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Torino
“Le Donne nella Scienza” - Napoli, 10 marzo 2008
In questo seminario:
• Quanta massa continene l’Universo?
• Come misuriamo la massa dell’Universo?
• Massa Mancante=Materia Oscura: da che cosa è composta?
• Come possiamo rivelare sul nostro pianeta la Materia
Oscura?
• Correlazione fra Cosmologia/Astronomia/Astrofisica/Fisica
delle Particelle Elemetari
VEDERE = rivelare una radiazione elettromagnetica a
una qualunque frequenza
In molti oggetti astrofisici, i movimenti osservati non corrispondono a quelli
attesi sulla base della loro azione gravitazionale che vediamo:
è come se una densità di materia invisibile li permeasse
Galassia a spirale (M81)
vista di fronte
Galassia a spirale (NGC4565)
vista di taglio
Le curve di rotazione delle galassie
Le stelle nelle galassie ruotano attorno al centro galattico: la forza
centripeta controbilancia l’attrazione gravitazionale, impedendo il collasso.
La velocità v in funzione della distanza r dal centro della galassia ci
informa sulla distribuzione della massa della galassia.
rv 2
M=
G
Curva di rotazione della nostra Galassia
M=
rv 2
G
Se la massa della galassia e’ quella
di un disco stellare (e gas) e il moto
delle stelle e’ kepleriano, la velocita’
di rotazione dovrebbe diminuire a
grandi raggi
N. B. 1 kpc ≈ 3•1016 km
La piattezza delle Curve di Rotazione ...
Vera Rubin
Corbelli & Salucci, 2000
Materia oscura
disco
gas
Le curve di rotazione
restano piatte
al crescere di r
.... ovvero, nelle gallasie esiste un
Materia Oscura
La piattezza delle curve di rotazione a grandi raggi è osservata per migliaia
di galassia: la materia visibile a quelle distanze tende a zero e non giustifica
le velocità elevate misurate.
Nelle regioni esterne osserviamo: M∝r
E’ la dimostrazione più schicciante dell’esistenza della
MATERIA OSCURA:
su scala galattica: verso l’esterno della galassia sembra esistere una Massa
che “tiene su” la velocità di rotazione delle stelle esterne
Esiste una teoria di Modified Newtonian Dynamics
(MOND- M. Milgrom 1983), ma è un’ ipotesi ritenuta
meno solida sia dal punto di vista teorico che osservativo.
TUTTO NERO Credit: Jose Wudka
Il disco luminoso delle galassie è circondato da un alone oscuro, forse
sferico, che contribuisce al 90% (sì, 90%!!) della massa della galassia
Zwicky, 1933
Studiò il moto delle galassie
nell’ammasso della Coma:
Mdyn/Mlum~100
Problema: massa mancante??
LENTE GRAVITAZIONALE
Con un buco nero della
dimensione di Saturno
HST
Edwin Hubble
Evidenza diretta di MO: il bullet cluster
Clowe et al. 2006
Collisione di due ammassi di galassie (a circa 4500 km/sec):
- le galassie (nel visibile) non collisionali
- gas (in X-rays) si comporta come un fluido
-lente gravitazionale debole: mappa del potenziale gravitazionale
Il potenziale gravitazionale segue la distribuzione delle galassie (1-2%)
ed è sfasato rispetto al gas (5-15%).
Le galassie dei due ammassi devono avere aloni di materia oscura
CMB, LSS, SnIa
Le teorie di formazione delle strutture nell’Universo (galassie e ammassi
di galassie), la radiazione di fondo a microonde (CMB), le supernovae
lontane,
sono consistenti con le osservazioni solo se si ipotizza che l’Universo
contenga una grande quantità di materia non-ordinaria
CMB power spectrum – Nolta et al.2008
Satellite WMAP
Nasa credit
Dunque a qualunque scala:
Galattica
Ammassi di galassie
Cosmologica
con molte e diverse tecniche osservative, l’evidenza
gravitazionale di materia oscura è
fortissima e inequivocabile
N.B. Quello che viene misurata non è la massa assoluta, ma il
parametro Ω, che è un rapporto di densità.
Ora sappiamo che l’Universo ha Ω~1
La Torta dell’Universo
COMPLETAMENTE
UN MISTERO!
QUASI COMPLETAMENTE
UN MISTERO
Attenzione: in arrivo
Vicende oscure, particelle esotiche,
rivelazioni nello spazio,
esperienze sotterranee....
NASA/WMAP Science Team
QUASI COMPLETAMENTE
COMPRESO
Il mondo che vediamo, così poco ....
Di che cosa e’ fatta la Materia Oscura?
Materia Oscura barionica:
• pianeti, lune, detriti, asteroidi, nane brune, nubi molecolari, polvere ...
⇒ contributo trascurabile (BBN – talk di Ofelia)
• MACHOs (Massive Compact Halo Objects):
relitti stellari, buchi neri, oggetti massivi non luminosi ...
⇒ contributo trascurabile (esperimenti di microlensing)
Materia Oscura NON-barionica:
• neutrini (hanno una massa, piccolissima)
⇒ contributo trascurabile (impedirebbero la formazione delle
strutture)
• WIMP (Weakly Interacting Massive Particle)
⇒ perfette. Ma esistono?
• .... Assioni, Q-balls, monopoli magnetici ... Modellistica pressoché infinita!
Il Modello Standard
delle Particelle Elementari e delle Forze Fondamentali
Quasi perfetto ... ma lascia molte questioni aperte
Tra le molte, non contiene la soluzione alla MO
Nuove teorie: la Supersimmetria
È una teoria che prevede una simmetria tra
le particelle note e i loro partner
supersimmetrici basata su proprietà
interne (spin)
Nessuna particella della supersimmetria
è ancora stata osservata
Risolverebbe molti punti aperti del MS e, GRATIS, ci fornirebbe un
bellissimo candidato alla materia oscura: il neutralino
-
neutro
con sola interazione debole (e gravitazionale☺)
massivo (10-1000 volte il protone)
stabile su tempi cosmologici
da solo potrebbe anche spiegare tutta la MO
Ricerche di Supersimmetria
Si effettuano ai grandi acceleratori
LHC (Large Hadron Collider) @CERN: dal 2008
FERMILAB
Anche se trovassimo agli acceleratori (LHC) una
nuova particella adatta alla MO,
dobbiamo provarne l’esistenza astronomica
Rivelazione Diretta di WIMP
Esperimenti in Laboratori Sotterranei (e.g. Gran Sasso-INFN)
Una WIMP può urtare un nucleo del
rivelatore.
L’energia di rinculo è la grandezza
misurata con varie tecniche.
Marcatura: la modulazione annuale
December
June
A causa del moto di rivoluzione della
Terra attorno al Sole, che a sua volta
ruota nella Galassia, il flusso delle WIMP
che attraversano la Terra varia durante
l’anno.
Il flusso è massimo in Giugno, quando le
velocità del Sole e della Terra nel sistema
di riferimento della Galassia si sommano,
ed è minimo in Dicembre.
DAMA/NaI: effetto di
modulazione misurato
(Bernabei et al. 2003)
Altri esperimenti, con varie tecniche e nuclei (non sensibili alla modulazione
annuale): CDMS, XENON10, CRESST, Edelweiss, Rosebud, Zeplin, ....
Rivelazione diretta di MO:
il lavoro del fisico teorico ☺
In collaborazione con A. Bottino, N. Fornengo, S. Scopel
DAMA allowed region
(for a number of gal. Halo models)
Bernabei et al. Riv. N. Cim. 2003
CDMS (Akerib et al. 2001)
exclusion plots
for some isothermal models
Rivelazione indiretta di Materia Oscura
χ
χ
γ,e+ p,d
Ricerchiamo una componente “esotica” – rispetto al contributo
standard (puramente astrofisico) - nel flussi misurati di:
1.
2.
3.
4.
5.
Raggi gamma
Positroni
Antiprotoni
Antideuterio
Neutrini
Astrofisica dei raggi cosmici
Ricerche di Antimateria e Raggi Gamma
Pbess - 2010
Glast - 2008
Pamela – 06/2006
Bess - 2007
GAPS - 2013
AMS – 2009
Agile, 04/2007
ASTROFISICA DEI RAGGI COSMICI GALATTICI
MODELLO DI DIFFUSIONE a 2 zone
Maurin, FD, Taillet, Salati ApJ 2000; Maurin, Taillet, FD A&A 2002
I modelli riprooducono bene i dati di:
Boro/Carbonio, O, antiprotoni,
Isotopi radioattivi ....
FISICA ESOTICA (DA MATERIA OSCURA!!)
NEI RAGGI COSMICI GALATTICI
Questo studio ha costituito la
motivazione fondamentale per la
proposta dell’esperimento
GAPS (Usa+) alla NASA.
•Prototipo già testato al KEK (Tokyo)
•Proposal alla NASA per un pallone
ULDB in Antartico
FD, N. Fornengo, P. Salati
ANTIDEUTERIO STANDARD (linea continua)
E DA ANNICHILAZIONE DI NEUTRALINI
(alcuni casi posisbili)
L’identificazione e la scoperta della natura della materia oscura, insieme
all’energia oscura, è forse la problematica più rilevante per la
comprensione del nostro universo
La ricerca, specie quella sperimentale (astronomica, astrofisica e
cosmologica), ha ottenuto risultati di potenza e precisione stupefacenti
Il nostro lavoro è l’incontro (matematico & fisico)
dell’infinitamente grande con l’infinitamente piccolo
Il prossimo futuro si preannuncia ricco di scoperte
Divertimento assicurato
per i Fisici Teorici!!
“La filosofia è scritta in quel grandissimo libro che
continuamente ci sta aperto innanzi agli occhi
(io dico l’universo)”