Materja skura

Fil-kożmoloġija, it-terminu materja skura jfisser il-komponent ipotetiku tal-materja li mhuwiex osservabbli direttament, billi ma jarmix radjazzjoni elettromanjetika bħall-materja magħrufa u jidher biss permezz tal-effetti gravitazzjonali 

Jistmaw li l-materja skura tagħmel il-parti l-kbira, kważi d-90%, tal-massa li hemm fl-univers.

Tagħrif ġenerali  
Minkejja l-mapep dettaljati tal-Univers viċin, li jkopru l-ispettru elettromanjetiku kollu mill-mewġ tar-radju għar-raġġi gamma, instabu biss 10% tal-massa tiegħu, kif stqarr fl-2001 lin-New York Times Bruce H. Margon, astronomu fl-Università ta' Washington:

L-aħħar kalkoli juru li l-materja skura tagħmel madwar 86% tal-massa tal-univers u madwar 26% tal-enerġija tiegħu.

Fil-bidu kienu jsejħulha "massa nieqsa", minkejja li effettivament hi materja li l-effetti gravitazzjonali tal-massa tagħha huma osservabbli. Però din il-materja ma tarmi l-ebda radjazzjoni elettromanjetika; għalhekk ma tistax tiġi osservata mill-istrumenti tal-analiżi spettroskopika u għal din ir-raġuni ngħatat l-aġġettiv "skura". It-terminu massa nieqsa jista' jqarraq bina billi mhux il-massa li hi nieqsa imma d-"dawl" tagħha biss.

Irridu nagħmluha ċara li l-kunċett ta' materja skura jagħmel sens biss fil-kuntest tal-mudell standard tal-kożmoloġija li nużaw illum ibbażat fuq il-Big Bang. Dan minħabba żewġ raġunijiet fundamentali: 
b'dan il-mudell ma nistgħux nispjegaw b'mod ieħor il-formazzjoni tal-galassji u l-ġemgħat tal-galassji fiż-żmien ikkalkolat mill-bidu tal-Big Bang
fix-xenarju kożmoloġiku li nużaw illum, li jipprevedi l-gravità bħala l-unika forza, ma nistgħux nispjegaw kif il-galassiji jistgħu jibqgħu sħaħ billi l-materja viżibbli, komposta mill-barjoni, ma tipprovdix ġibda gravitazzjonali qawwija biżżejjed.

Min-naħa l-oħra, jekk it-teorija li nużaw illum tinsab żbaljata, jista' jkun li ma jkunx hemm bżonn tal-materja skura, billi l-ipoteżi tal-eżistenza tagħha ġejja biss mill-ksur ta' mudell matematiku u mhux minn evidenza sperimentali ċerta. 

Irridu noqogħdu attenti li ma nħalltux il-materja skura ma' ipoteżi oħra li jsejħulha "enerġija skura".

Storja 

Fl-1933 l-astronomu Fritz Zwicky kien qiegħed jistudja l-mixi tal-ġemgħat ta' galassji tal-bogħod u ta' massa kbira, fil-każ partikolari tal-ġabra ta' Coma u ta' Virgo. Zwicky stima l-massa ta' kull galassja tal-ġemgħa mill-luminożità tagħha u għadd il-mases galattiċi flimkien biex jikseb il-massa totali tal-ġemgħa. Imbagħad għamel stima oħra indipendenti mill-massa totali, ibbażata fuq il-kejl tad-dispersjoni tal-veloċitajiet individwali tal-galassji fil-ġemgħa; Din it-tieni stima ta' massa dinamika kienet 400 darba akbar mill-istima bbażata fuq id-dawl tal-galassji.

Minkejja li l-evidenza sperimentali kienet diġà teżisti fi żmien Zwicky, kien biss fis-sittinijiet li x-xjenzjati bdew jiflu din id-diskrepanza b'mod sistematiku u l-eżistenza tal-materja skura bdiet tiġi kkonsidrata. L-iskoperta tagħha mhux biss solviet in-nuqqas tal-massa fil-ġemgħat ta' galassji, imma kellha konsegwenzi fil-wisgħa iżjed fuq il-kapaċità tal-bniedem li jbassar l-evoluzzjoni u d-destin tal-Univers.

Fl-2008, bis-saħħa tal-istudju ta' diversi riċerkaturi, fosthom Franċiżi u Kanadiżi  fl-Istitut tal-Astrofiżika ta' Pariġi, għandna xhieda definittiva tal-preżenza tal-materja skura. Difatti, bl-użu tat-teleskopju Canada-France-Hawaii Telescope (Cfht), li jinsab fuq il-muntanja Mauna Kea fil-Ħawaii, l-istudjużi ħarsu lejn eluf ta' xbihat biex jivverifikaw id-devjazzjoni tad-dawl fil-vjaġġ kożmiku tiegħu u kkonfermaw li dan jiddevja anki f'postijiet fejn m'hemmx mases viżibbli. Kien bis-saħħa ta' dawn l-osservazzjonijiet li instabet il-materja skura li minkejja li ma tidhirx għandha effetti gravitazzjonali.

Xhieda potenzjali għall-materja skura

Ir-rotazzjoni tal-Galassji 

Il-kurvi tar-rotazzjoni tal-galassji spirali fornew evidenza osservattiva importanti għall-ħtieġa tal-materja skura. Dawn il-galassji fihom popolazzjoni vasta ta' kwiekeb fuq orbiti kważi ċirkolari madwar iċ-ċentru galattiku. Kif jiġri fil-każ tal-orbiti planetarji, skont it-tielet liġi ta' Kepler l-istilel bl-ikbar orbiti galattiċi għandhom l-iċken veloċitajiet orbitali; Imma t-tielet liġi ta' Kepler tapplika biss għall-kwiekeb qrib il-periferija ta' galassja spirali, billi nissoponu minn qabel li l-massa magħluqa mill-orbita hi kostanti. Ma dan kollu l-astronomi għamlu osservazzjonijiet tal-veloċitajiet orbitali tal-istilel fir-reġjuni periferiċi ta' għadd kbir ta' galassji spirali, u sabu li fl-ebda każ ma jssegwu t-tielet liġi ta' Kepler dawn il-veloċitajiet. Bil-kontra minnflok jonqsu iżjed ma tkun kbira d-distanza miċ-ċentru, il-veloċitajiet jibqgħu kostanti. L-implikazzjoni hi li l-massa magħluqa mill-orbiti tikber iżjed ma jkun kbir ir-raġġ, anki għall-istilel li mid-dehra jinstabu viċin il-limitu tal-galassja. Minkejja li tinsab ħdejn il-konfini tal-parti luminuża tal-galassja, din għandha profil ta' massa li tidher li jkompli 'l hemm sewwa mir-reġjuni okkupati mil-kwiekeb.

Fil-każ tal-istilel qrib il-periferija ta' galassja spirali, b'veloċitajiet orbitali osservati normalment ta' 200 kilometru fis-sekonda, kieku l-galassja kienet magħmula mill-materja li tidher biss, dawn l-istilel ma jdumux ma jitilquha billi l-veloċitajiet orbitali tagħhom huma erba' darbiet ikbar mill-veloċità tal-ħrib tal-galassja. La ma nosservawx galassji li qegħdin jinfirxu b'dan il-mod, fil-ġewwieni tagħhom bilfors irid ikun hemm ammont ta' massa li mhux qegħdin inqiesuha meta ngħoddu flimkien il-massa tal-partijiet viżibbli.

Il-lentijiet gravitazzjonali 

Il-lentijiet gravitazzjonali jistgħu jkunu prova oħra tal-eżistenza tal-materja skura. Il-massa viżibbli mhijiex biżżejjed biex toħloq lenti gravitazzjonali, għalhekk għal din il-lenti hemm bżonn il-preżenza ta' kwantitajiet enormi ta' materja skura biex ikun hemm massa totali kapaċi li tgħawweġ il-mogħdija tad-dawl.

Aspetti sperimentali 

Fil-21 ta' Awwissu 2006, in-NASA ħarġet starrija għall-istampa li skontha it-teleskopju Chandra sab xhieda diretta tal-eżistenza tal-materja skura fejn jiltagħu żewġ ġemgħat ta' galassji. Fil-bidu tal-2007, l-astronomi tal-Cosmic Evolution Survey u t-Teleskopju spazjali Hubble, permezz ta' tgħarif miksub mit-teleskopju Hubble u minn strumenti fl-art, pinġew mappa tal-materja skura u wrew li dawn jippermeaw l-univers; fejn insibu materja viżibbli jkun hemm ukoll kwantitajiet kbar ta' materja skura, imma din hi preżenti wkoll fiż-żoni fejn m'hemmx materja viżibbli.

Fit-3 Ta' April 2013, ix-xjenzjati tan-NASA qalu li l-Alpha Magnetic Spectrometer fuq l-Istazzjon Spazjali Internazzjonali x'aktarx innota traċċja ta' materja skura<ref name="AP-20130403">Heilprin John, Borenstein Seth, Scientists find hint of dark matter from cosmos, , 3 ta' April 2013, AP News</ref>Trent J., Byerly Josh, NASA TV Briefing Discusses Alpha Magnetic Spectrometer Results, , 2 ta' April 2013, NASA. L-ewwel riżultati tal-iSpace-borne Alpha Magnetic Spectrometer urew eċċess ta' pożitroni b'enerġija għolja fir-raġġi kożmiċi, li nistgħu nispjegah bil-preżenza tal-materja skura.

 Ipoteżijiet dwar il-materja skura 

L-ipoteżijiet prevalenti
Fil-letteratura dehru bosta teoriji biex jispegaw in-natura ta' dik li tissejjaħ "massa nieqsa", marbuta ma' diversi fenomeni. Il-materja skura kieku tinsab fid-"dlam" madwar il-kwiekeb u tinqasam b'mod fondamentali f'barjonika u mhux barjonika:

 Il-materja skura barjonika hi dik magħmula minn materja li hi għal kollox simili għal dik li tikkonstistwixxi l-istilel, il-pjaneti, it-trab interstellari, eċċ., li però ma titfsx rsdjszzjoni. Insibu xi kostitwenti oħra possibbli tal-materja skura barjonika fil-MACHO (Massive Compact Halo Objects), oġġetti kompatti ta' massa kbira fir-raġġiera galattika.

 Il-materja skura mhux barjonika hi rappreżentata prinċipalment mill-partiċelli ipotetiċi WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), mogħnija minn massa unitarja kbira, komposti minn materja intrinsekament differenti minn dik barjonika u jinteraġixxu b'mod dgħajjef magħha u għalhekk diffiċli li nsibuhom. Hemm min jaħseb li nistgħu nittrattawhom bħala partiċelli supersimmetriċi bħan-newtralini, jew in-newtrini bil-massa, jew assjoni, jew partiċelli oħra li mhuma osservati qatt u soġġetti biss għall-forza gravitazzjonali u għall-interazzjoni nukleari dgħajfa. Hemm tliet tipi ta' esperimenti li jippruvaw juru dawn il-partiċelli: I) billi jinħalqu f'aċċeleraturi ta' partiċelli, II) billi jqisu l-enerġija li għandhom jitilqu meta jaħbtu mal-materja ordinarja, III) it-tixjin bejn partiċelli ta' materja skura preżenti madwar iċ-ċentru tal-galassja jew tax-xemx jista' jagħti partiċelli normali, bħal newtrini, pożitroni, anti-protoni. Barra minn hekk, l-iskoperta li n-newtrino għandu xi massa, għalkemm estremament baxxa, jagħmlu kandidat biex jirrappreżenta almenu parti mill-materja skura u jista' jispjega parzjalment il-massa żejda fil-ġemgħat u superġemgħat ta' galassji, imma mhux ta' galassja waħda, għax huma jimxu b'veloċità qrib ta' dik tad-dawl u mument jew ieħor jaħarbu mill-ġibda gravitazzjonali tagħha u joħorġu minnha.

Jaħsbu li mill-inqas 90% tal-materja skura mhijiex barjonika. Infatti, billi l-abbondanza kożmika tad-dewterju (atomu tad-dewterju għal kull 100 000 ta' idroġenu) hi estremament sensibbli għad-densità tal-materja fil-forma ta' barjoni, kieku d-densità barjonika kienet ogħla il-preżenza tad-dewterju kienet tkun ħafna iżjed baxxa. Bil-kuntrarju l-abbundanza osservata tad-dewterju hi kompatibbli mad-densità tal-materja osservata.

Qed issir ukoll distinzjoni bejn il-"materja skura kisħa", irrappreżentata essenzjalmente mill-partiċelli ipotetiċi tal-"lenti" WIMP, u l-"materja skura sħuna", irrappreżentata min-newtrini, li, kif għedna, huma partiċelli superveloċi.

Teoriji alternattivi
Hemm minoranza ta' riċerkaturi li l-ipoteżi tal-materja skura ma jqisuhiex soddisfaċenti bħala spjegazzjoni tal-effetti osservati. Fosthom:

 Arrigo Finzi, gravitazzjoni modifikata, 1963. 
 Robert Sanders, gravitazzjoni modifikata, 1984. 
 John W. Moffatt, gravitazzjoni mhux simmetrica (NGT, Nonsymmetric Gravitational Theory), 1994
 Alexander Mayer, 2005. 
 Mordehai Milgrom, it-teorija MOND, 1981, akronimu ta' Modified Newtonian Dynamics'' (Dinamika Newtonjana Modifikata). Din tipproponi li fuq l-iskali ta' aċċelerazzjonijiet tipiċi taż-żoni esterni tal-galassji il-liġi tal-gravitazzjoni universali ta' Newton teħtieġ modifika ħafifa, b'mod li tieħu kont tal-kurvi ta' rotazzjonijiet ċatti mingħajr ma tirrikorri għall-materja skura. It-teorija MOND ġiet appoġġata u żviluppata anke mill-pijunier tat-termodinamika tal-ħofor suwed, Jacob David Bekenstein.
 Jacob Bekenstein, tensor-vector-scalar gravitation (TeVeS), 2004.
 Johan Masreliez, Scale Expanding Cosmos model (SEC), 1999. SEC hu mudell kożmoloġiku komplut ibbażat fuq it-teorija ġenerali tar-relattività. Ma tinnegax l-eżistenza tal-materja skura, imma ma għandhiex bżonn tispjega il-kurvi ta' rotazzjoni tal-galassji jew tal-anomaliji graviazzjonali oħra.
 Maurizio Michelini It-teorija tiegħu tipproponi li hemm preżenti għejun gravitazzjonali "addizzjonali" fil-kwadru ta' teorija iżjed ġenerali tal-inerzja u tal-gravitazzjoni. Il-forza gravitazzjonali tiddipendi infatti mhux mill-"massa gravitazzjonali" ta' Newton imma minn azzjoni komplessa ta' awtotarka eżerċitata fuq il-mases minn fluss ta' mikrokwanti (b'tul ta' mewġa daqs it-tul ta' Planck u enerġija żgħira ħafna) li jimlew l-univers. Il-ħbit tal-mikro-kwanti mal-mateja jiġġenera qabel kollox il-forzi tal-inerzja relattivistiċi. Barra minn hekk, fl-intern tal-korpi ċelesti superdensi il-mikro-kwanti jġarrbu għadd kbir ħafna ta' ħabtiet, jitilfu ftit mill-enerġija tagħhom u jiġġeneraw forza gravitazzjonali addizzjonali. pereżempju, il-kostanti tal-gravitazzjoni tal-istilel ta' newtroni hu daqs 200-300 darba għal G. Ġaladarba l-istilel ta' newtroni huma mifruxin mal-galassji, jista' jkun biżżejjed li jirappreżentaw 2-3% tal-massa totali biex jagħmlu effett gravitazzjonali biżżejjed biex jispjega (flimkien mal-kontritribut tal-popolazzjonijiet ta' nani kanella) il-veloċitajiet ta' rotazzjoni għolja li jiġu osservati.
 Dragan Slavkov Hajdukovic, fiżiku mas-CERN ippropona teorija ġdida li tistħajjel il-materja skura bħala illużjoni maħluqa mill-polarizzazzjoni gravitazzjonali. Biex nieħdu eżempju jekk indaħħlu pjanċa dielettrika f'kapaċitur ċatt parallel imbagħad bħala riżultat ikollna tnaqqis fil-kampo elettriku bejn il-pjanċi. Dan it-tnaqqis hu dovut għall-fatt li ċ-ċarġijiet elettriċi ta' sinjal oppost jattiraw lil xulxin, imma kieku ċ-ċarġijiet elettriċi ta' sinjal oppost kienu repulsivi, minflok attrattivi, il-kampo elettriku kien jiżdied. La ċ-ċarġijiet gravitazzjonali ta' sinjal oppost huma repulsivi jiġri li l-kamp gravitazzjonali jiżdied u hekk il-materja skura tkun biss illużjoni.

It-teoriji li jipproponu xi modifika tad-dipendenza tal-kamp gravitazzjonali fuq id-distanza intwerew li mhumiex adattati biex jispjegaw il-kurvi ta' rotazzjoni tal-galassji spirali, għax il-previżjonijiet tagħhom jirriżultaw f'kunflitt ma' xhieda osservattiva oħra li hi universalment aċċettata. 

S'issa l-ebda teorija mhi aċċettata għal kollox mill-komunità astronomika billi attwalment hu impossibbli li tiġi verifikata b'mod risoluttiv.

Noti u referenzi

Ħoloq esterni 

 Alla ricerca della materia oscura, percorso divulgativo - ScienzaPerTutti
What is dark matter? fuq cosmosmagazine.com
The Dark Matter Crisis  Pavel Kroupa, 18 ta' Awwissu 2010
The European astroparticle physics network
Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics
 Les secrets de la matière noire, Futura-Sciences / Richard Taillet
 Matière Noire, Richard Taillet
 La matière noire cartographiée, Futura-Sciences

Esperimenti għat-tfittix tal-materja skura:
 DAMA
 WARP
 CDMS
 CRESST
 EDELWEISS
 XENON
 UKDM Project

Kosmoloġija
Fiżika