In cosmologia, il termine materia oscura indica quella componente di materia che si manifesta attraverso i suoi effetti gravitazionali, ma non è direttamente osservabile.
Il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale cosmologia basata sul Big Bang; infatti, non si sa altrimenti spiegare come si siano potute formare le galassie e gli ammassi di galassie in un tempo così breve come quello osservato. Non si spiega inoltre come le galassie, oltre a formarsi, si mantengano integre anche se la materia visibile, composta da barioni, non può sviluppare abbastanza gravità per tale scopo. Anche da questa prospettiva il concetto di materia oscura ha senso solo all'interno dell'attuale Modello Standard, che prevede come unica forza cosmologica quella gravitazionale; se il Modello Standard risultasse errato, non si avrebbe necessità di materia oscura, dato che non si ha alcuna evidenza sperimentale se non le violazioni di un modello matematico. Nonostante dettagliate mappe dell'Universo vicino, che coprono lo spettro elettromagnetico dalle onde radio ai raggi gamma, si è riusciti ad individuare solo il 10% della sua massa, come dichiarato nel 2001 al New York Times da Bruce H. Margon, astronomo all'Università di Washington:
« È una situazione alquanto imbarazzante dover ammettere che non riusciamo a trovare il 90 per cento [della materia] dell'Universo. »
Le più recenti misure indicano che la materia oscura costituisce circa il 23% dell'energia dell'Universo e circa l'85% della massa.
Venne inizialmente indicata come "massa mancante", anche se effettivamente esiste materia, in quanto sono osservabili effetti gravitazionali della sua massa. Tuttavia, questa materia non emette alcuna radiazione elettromagnetica e non risulta pertanto individuabile dagli strumenti di analisi spettroscopica, da cui l'aggettivo "oscura". Il termine massa mancante può essere fuorviante, dato che non è la massa a mancare, ma solo la sua luce. La materia oscura non va confusa con la diversa ipotesi che va sotto il nome di energia oscura (Non c'entra con i manga).
Nel 1933 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. 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. Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità individuali delle galassie nell'ammasso; questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte più grande della stima basata sulla luce delle galassie. Sebbene l'evidenza sperimentale ci fosse già ai tempi di Zwicky, fu solo negli anni settanta che gli scienziati iniziarono ad esplorare questa discrepanza in modo sistematico. Fu in quel periodo che l'esistenza della materia oscura iniziò ad essere considerata; l'esistenza di tale materia non avrebbe solo risolto la mancanza di massa negli ammassi di galassie, ma avrebbe avuto conseguenze di ben più larga portata sulla capacità dell'uomo di predire l'evoluzione e il destino dell'Universo stesso. Una importante evidenza osservativa della necessità della materia oscura fu fornita dalle curve di rotazione delle galassie spirali. Queste galassie contengono una vasta popolazione di stelle poste su orbite quasi circolari attorno al centro galattico. Come accade per le orbite planetarie, secondo la terza legge di Keplero le stelle con orbite galattiche più grandi dovrebbero avere velocità orbitali minori; ma la terza legge di Keplero è applicabile soltanto a stelle vicine alla periferia di una galassia spirale, poiché presuppone che la massa racchiusa dall'orbita sia costante. Tuttavia 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. 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. Sebbene si trovino presso i confini della parte luminosa della galassia, questa ha un profilo di massa che apparentemente continua ben al di là delle regioni occupate dalle stelle. Considerando le stelle presso la periferia di una galassia spirale, con velocità orbitali osservate normalmente di 200 chilometri al secondo, se la galassia fosse composta solo dalla materia visibile queste stelle la abbandonerebbero in breve tempo, dato che le loro velocità orbitali sono quattro volte più grandi della velocità di fuga dalla galassia. Dato che non si osservano galassie che si stiano disperdendo in questo modo, al loro interno deve trovarsi della massa di cui non si tiene conto quando si somma tutte le parti visibili. Il 21 agosto 2006 la NASA ha rilasciato un comunicato stampa secondo cui Chandra avrebbe trovato prove dirette dell'esistenza della materia oscura, nello scontro tra due ammassi di galassie. All'inizio del 2007 gli astronomi del Cosmic Evolution Survey e Hubble Space Telescope, utilizzando le informazioni ottenute dal telescopio Hubble e da strumenti a terra, hanno tracciato una mappa della materia oscura rilevando che questa permea l'universo; ove si trova materia visibile deve essere presente anche grande quantità di materia oscura, ma questa è presente anche in zone dove non si trova materia visibile. Un'altra prova dell'esistenza della materia oscura è data dalle lenti gravitazionali. La massa visibile risulta insufficiente per creare una lente gravitazionale, per cui si prefigura la presenza di massicce quantità di materia oscura, ottenendo una massa totale in grado di deviare il percorso della luce. In letteratura sono comparse numerose teorie per spiegare la massa mancante legate a diversi fenomeni.
La massa oscura è divisa in barionica e non barionica:
la materia oscura barionica è quella composta da materia del tutto simile a quella che costituisce le stelle, i pianeti, la polvere interstellare, ecc., che però non emette radiazioni;
la materia oscura non barionica è composta da materia intrinsecamente diversa e non ancora scoperta. Si ipotizza che possa trattarsi di particelle supersimmetriche quali neutralini, o neutrini massicci, o assioni, o altre particelle mai osservate e soggette solo alla forza gravitazionale e all'interazione nucleare debole.
Questo materiale è detto WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), particelle di grande massa unitaria debolmente interagenti con la materia barionica, e quindi difficilmente rivelabili. Tre tipi di esperimenti cercano di rivelare queste particelle: i) producendole in acceleratori di particelle; ii) vedendo l'energia che dovrebbero rilasciare quando urtano con la materia ordinaria; iii) annichilazioni fra particelle di materia oscura presenti attorno al centro della galassia o del sole potrebbero dare particelle normali, quali neutrini, positroni, anti-protoni. Si pensa attualmente che almeno il 90% della materia oscura sia non barionica. Infatti l'abbondanza cosmica del deuterio, che è di un atomo di deuterio per ogni 100.000 di idrogeno, è estremamente sensibile alla densità della materia sotto forma di barioni. Una densità barionica maggiore avrebbe per conseguenza un'abbondanza di deuterio molto più bassa. Invece l'abbondanza osservata del deuterio è compatibile con la densità della materia osservabile. La scoperta che il neutrino ha massa, seppur estremamente bassa, potrebbe in parte spiegare l'eccesso di massa degli ammassi e superammassi di galassie, ma non quello delle singole galassie, perché esso si muove a velocità prossima a quella della luce, sfuggendo prima o poi all'attrazione gravitazionale e uscendo da esse. Altri possibili costituenti della materia oscura sono stati indicati nei MACHO (Massive Compact Halo Objects), oggetti compatti di grande massa dell'alone galattico, nei buchi neri primordiali, nelle stelle brune, nelle stelle solitoniche, nelle stelle di bosoni e nelle pepite di quark. Una minoranza di ricercatori non considera soddisfacente l'ipotesi della materia oscura come spiegazione degli effetti osservati. Tra questi:
Arrigo Finzi, gravitazione modificata, 1963
Robert Sanders, gravitazione modificata, 1984
John W. Moffatt, gravitazione non simmetrica (NGT, Nonsymmetric Gravitational Theory), 1994
Alexander Mayer, 2005
Mordehai Milgrom, teoria MOND, 1981, acronimo di Modified Newtonian Dynamics (dinamica newtoniana modificata).[4] Essa prevede che sulle scale di accelerazione tipiche delle zone esterne delle galassie la legge di gravitazione universale di Newton debba essere leggermente modificata, in modo da tener conto delle curve di rotazione piatte senza fare ricorso alla materia oscura. La teoria MOND è stata anche sostenuta e rielaborata dal pioniere della termodinamica dei buchi neri, Jakob David Bekenstein.
Jacob Bekenstein, tensor-vector-scalar gravitation (TeVeS), 2004.
Johan Masreliez, Scale Expanding Cosmos model (SEC), 1999. SEC è un modello cosmologico completo basato sulla teoria generale di relatività che richiama tutti i tipi di edizioni. Non nega l'esistenza della materia oscura, ma non ha bisogno di spiegare le curve di rotazione delle galassie o delle altre anomalie gravitazionali.
Maurizio Michelini. La sua teoria prevede la presenza di sorgenti gravitazionali "addizionali" nel quadro di una teoria più generale dell'inerzia e della gravitazione. La forza gravitazionale dipende infatti non dalla "massa gravitazionale" di Newton ma da una complessa azione di autoschermo esercitata sulle masse da un flusso di micro-quanti (con lunghezza d'onda uguale alla lunghezza di Planck ed energia piccolissima) che riempie l'universo. Nelle collisioni dei micro-quanti con la materia si generano innanzitutto le forze d'inerzia relativistiche. Inoltre, all'interno dei corpi celesti superdensi i micro-quanti subiscono un numero di collisioni altissimo, perdendo un poco della loro energia e generando una forza gravitazionale addizionale. Ad esempio, la costante di gravitazione delle stelle di neutroni è pari a 200-300 volte G. Poiché le stelle di neutroni sono disseminate nelle galassie, può essere sufficiente che rappresentino 2-3% della massa totale per sortire un effetto gravitazionale tale da spiegare (insieme con il contributo della popolazione di nane brune) le elevate velocità di rotazione osservate.
Le teorie che prevedono una modifica della dipendenza del campo gravitazionale dalla distanza si sono rivelate inadatte a rendere ragione delle curve di rotazione delle galassie a spirale, perché le loro previsioni risulterebbero in conflitto con altre evidenze osservative universalmente accettate. La teoria MOND è difficilmente compatibile con la relatività generale, ma rappresenta l'ambito di ricerca meglio conosciuto realisticamente competitivo con il paradigma della materia oscura nella spiegazione dei moti galattici. Nessuna singola teoria è stata finora del tutto accettata dalla comunità astronomica poiché attualmente impossibile da verificare in modo risolutivo.
Parlando di Cavolate...
In Eymerich dello scrittore di fantascienza Valerio Evangelisti è descritta la presenza di una forma di particelle sconosciuta, dette psitroni. Tali entità sarebbero in grado di interagire con la mente umana e viceversa, rendendo difficile la misurazione del mondo subatomico, fornendo così una spiegazione fantasiosa al principio di indeterminazione di Heisenberg.Nella trilogia fantasy Queste oscure materie di Philip Pullman e nel film La bussola d'oro tratto dal primo volume, la materia oscura ha un ruolo centrale sotto il nome di "polvere"; la connessione tra i due concetti è resa esplicita a partire dal secondo romanzo, La lama sottile, la cui co-protagonista è una ricercatrice contemporanea del nostro mondo che si interessa appunto di materia oscura, rappresentata come una sostanza impalpabile che filtra tra gli universi, misteriosamente legata al libero arbitrio umano. Nel videogioco di fantascienza Ogame, a partire dalla versione 0.76c la materia oscura è utilizzata come credito per i servizi a pagamento, acquistandola od ottenendone piccolissime quantità in gioco attraverso particolari missioni. In alcuni episodi di Final Fantasy la materia oscura è un oggetto molto raro che può essere utilizzato per infondere nelle armi e negli oggetti potenti abilità. Per esempio, nel decimo capitolo della saga [[[Final Fantasy X]] la Materioscura infligge gravi danni all'opponente, fino ad un massimo di 50.000 punti danno. Nota: può essere superato solo dal risultato Cocktail Supernova.
Mappa tridimensionale della materia oscura elaborata da NASA, ESA e R. Massey (CALTECH)
Variazione della materia oscura con la distanza (dati HST)
Curva di rotazione della galassia: (A): predetta; (B): osservata.
Lente gravitazionale in un gruppo di galassie.
