La Via Lattea è una galassia di grandi dimensioni. Il Sistema Solare è situato a circa 25 mila anni luce dal centro, ricordo che la Via Lattea ha un'estensione di circa 100mila anni luce. Complessivamente, tutta la struttura galattica ruota attorno a un comune centro di massa, situato nelle vicinanze del centro galattico. Tutte le stelle si muovono nella stessa direzione, attorno al centro, con una piccola componente verticale di velocità dovuta all'attrazione gravitazionale causata dal disco galattico.
Se la osseviamo sullo stesso piano del disco, osserveremo un rigonfiamento centrale che si distingue bene dal resto del disco, più sottile, formato da diversi bracci. La determinazione della forma esatta non è così semplice. Paradossalemente, è molto più facile capire la forma della altre galassie perchè le vediamo nella loro interezza. Vivendoci dentro alcune strutture risultano occultate. Probabilmente la struttura a braccia è dovuta alla somma di vari effetti, tra cui una rotazione differenziata in funzione della distanza dal centro (di cui parlerò dopo), e una differente densità dei vari siti galattici.
Una terzo contributo potrebbe essere dovuto all'onda d'urto, causata dall'esplosione delle supernove.
Al centro della galassia c'è un buco nero (Sagittarius A, dal nome della costellazione in cui si trova). La sua esistenza è quasi certa perchè in quella zona è presente una fortissima sorgente di onde radio, e le stelle orbitano con velocità estreme attorno a un oggetto comune. Per quanto ne sappiamo oggi solo un buco nero può spiegare ciò che viene ossevato.
Parlando della galassia nel suo insieme, è interessante esaminare i vari modelli di rotazione differenti.
Possiamo invece considerare l'orbita delle stelle analoga a quella dei pianeti attorno al Sole. Dunque dovremmo descrivere tali moti utilizzando le leggi di Newton della gravità e di Keplero.
In questo caso i calcoli ci dicono che la velocità delle stelle dovrebbe diminuire mano a mano che ci allontaniamo dal centro, secondo questa legge:
Ascisse-raggio, ordinate-velocità
[Immagine dell'autore]
Bene, con questi modelli in mente osserviamo la distribuzione della velocità delle stelle misurata sperimentalmente (la linea blu)
Sono state avanzate diverse ipotesi per cercare di identificare questa massa nascosta, vediamone qualcuna.
Il problema di questi tre candidati è che dovrebbero essercene una quantità veramente spropositata, e attualmente non esistono modelli che giustifichino la loro esistenza in numero così grande e nelle zone in cui dovrebbero stare.
Un altro approccio è quello di ipotizzare un nuovo tipo di materia che non esiste sulla Terra.
Le cosiddette WIMP sono le candidate che attualmente vanno "di moda". Esitono tanti modelli delle WIMP, ma finora nessuna verifica sperimentale ha rilevato qualcosa di utile per confermarli o smentirli.
La strada più radicale è quella che esclude la presenza di materia oscura. Questo però costringerebbe a modificare la Relatività Generale, la migliore teoria della gravità esistente attualmente, che è stata testata sperimentalmente con una precisione pazzesca. Quindi, per quanto interessante, questa strada è poco praticata.
Studi su varie galassie hanno portato alla conclusione che di questa materia oscura dev'essercene una quantità immensa. Si stima che circa il 25% dell'universo sia composto da materia oscura, e solo il 5% di materia ordinaria, quella di cui siamo fatti e con la quale interagiamo.
Recentemente due studi hanno però trovato qualcosa di strano. Ad oggi sono note tre galassie (due di queste annunciate pochi giorni fa, il 20 Marzo) che sembrano contenere poca materia oscura o non contenerla affatto. A uno dei più grandi enigmi della fisica moderna si aggiunge un pezzetto che rende tutto ancora più difficile. Perchè queste galassie non contengono materia oscura?
Ne smentiscono l'esistenza? Al contrario: adesso è più chiaro che materia ordinaria e oscura possono non viaggiare assieme, ma allo stesso tempo queste scoperte mostrano che quando non c'è la materia oscura, le teorie della gravità funzionano benissimo.
Immagine CC0 Creative Commons, si ringrazia 
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