La velocità di rotazione di una galassia può essere misurata dallo spostamento Doppler delle sue linee spettrali. Conoscendo la distanza della galassia, possiamo usare la legge di gravitazione di Newton per calcolare la massa della galassia; in tal modo otteniamo un grafico che rappresenta la massa in funzione della distanza dal centro della galassia. Le velocità rotazionali della nostra galassia e di molte altre sono state misurate mediante lo spostamento Doppler della riga a 21 cm nello spettro dell'idrogeno[1].
Troviamo che le galassie non ruotano come se tutta la loro massa fossero le stelle visibili (fig. a sinistra qui sotto), ma ruotano invece ad una velocità quasi costante, indipendentemente dalla distanza dai loro centri (fig. a destra qui sotto)[2].
Se la massa fosse costituita da materia "normale" - stelle e gas - la velocità di rotazione seguirebbe un andamento decrescente con la distanza dalla massa centrale, così come avviene per i pianeti che orbitano intorno al sole, in accordo con le leggi di Keplero.
Invece, la curva di rotazione è quasi piatta all'aumentare del raggio. Evidentemente ci sono enormi quantità di materia invisibile "oscura" nelle parti esterne della galassia che incrementano il campo gravitazionale del centro galattico, causando una maggiore velocità rotazionale delle stelle e dei gas[1].
Alla pagina http://brahms.phy.vanderbilt.edu/~rknop/classes/a253/spiralrotator.html è presente una simulazione Java che illustra come si genera la curva di rotazione.
Come la Via Lattea, praticamente tutte le galassie hanno curve di rotazione piatte ben al di là di dove vi sono la maggior parte delle stelle: questo fatto sta a indicare che sono tutte circondate da grandi aloni di materia oscura[1].
Quando sommiamo con attenzione la massa delle stelle di una galassia otteniamo un valore molto inferiore alla massa calcolata dalle leggi di Newton! Inoltre, sembra che vi sia della massa che non possiamo vedere al di fuori della regione occupata dalle stelle. Da ciò risulta che il 90% di una galassia è sotto una qualche forma di massa invisibile. Non abbiamo idea di cosa siano fatte principalmente le galassie. C'è qualche particella fondamentale della fisica che noi non conosciamo che rappresenta la massa invisibile? Questa è evidentemente la materia oscura che gioca un ruolo centrale nel plasmare l'universo, ma tutto quello che sappiamo su di essa proviene dalle curve di rotazione delle galassie.
Per ulteriori informazioni: http://www.eclipse.net/~cmmiller/DM/
Immagine tratta da: Supernova Cosmology Project, Knop et al., Lawrence Berkeley
National Laboratory, http://supernova.lbl.gov/
Si può spiegare questo comportamento attribuendolo all'energia oscura, che esercita una forza repulsiva e quindi tende a far "esplodere" l'Universo. Einstein aveva inserito un termine nelle sue equazioni che può rendere conto di questo comportamento, tuttavia non sappiamo nulla sulla natura di questa energia. Potrebbe derivare da qualche errore nella nostra legge di gravità: in tal caso rappresentere un fallimento della relatività generale di Einstein. Oppure è possibile che lo spazio sia riempito con qualcosa di molto diluito, che crea un campo repulsivo.
Se attribuiamo massa all'energia oscura con la formula E = mc², vediamo che questa predominante su tutto l'Universo[3]. È incredibile che non sappiamo quasi nulla su circa il 96% di ciò che è là fuori!
Bibliografia/Sitografia
[1] Bennett et al., The Essential Cosmic Perspective
[2] Clem Pryke, http://find.uchicago.edu/~pryke/dasi/documents/200309_plancourse/mgp00001.html
[3] http://chandra.harvard.edu/photo/2008/darkenergy/more.html
[4] http://www.scholarpedia.org/article/Dark_energy
Fonte: http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/lectures/darkmatter.htm