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I dinosauri e la “materia oscura”

Ha destato un certo interesse, e ne hanno accennato anche alcuni quotidiani italiani, la pubblicazione qualche mese fa di un libro dal titolo alquanto curioso “Dark Matter and the Dinosaurs” (La materia oscura ed i dinosauri) (1).

A prima vista si potrebbe pensare al solito libro di fantascienza attualizzato con l’aggiunta della “materia oscura”, ma il nome dell’autrice, Lisa Randall, che lavora da anni ad Harward sulla  fisica teorica delle particelle e la cosmologia ed ha scritto libri di alta divulgazione tradotti anche in italiano, ci garantisce che si tratta di un testo scientifico serio e molto documentato.

La Randall vi propone un’ipotesi nuova e forse un po’ fantasiosa sulla struttura della materia oscura, così chiamata in quanto invisibile e ad oggi, anche se preponderante nell’universo, sconosciuta (2), e su un suo possibile legame con la fine dei dinosauri.

Il libro si basa su un lavoro pubblicato nel 2014 dalla Randall e dal suo collega Matthew Reece (3).

Circa sessantasei milioni di anni fa, alla fine del periodo geologico chiamato cretaceo, avvenne un fatto che è rimasto a lungo un mistero inspiegabile nel mondo della scienza: l’estinzione dei dinosauri.

In realtà l’estinzione colpì non solo i dinosauri, soprattutto quelli incapaci di volare, ma anche circa il settantacinque per cento delle altre specie animali e vegetali dell’epoca segnando la fine del periodo Cretaceo e dell’intera era Mesozoica e l’inizio dell’era Cenozoica che dura tutt’ora.

Dalle ricerche sui ritrovamenti di frammenti fossili sembra che nessun animale di peso superiore a circa venticinque chili sia sopravvissuto.

La fine dei dinosauri rese possibile il predominio successivo delle specie mammifere e quindi anche dell’uomo.

I dinosauri avevano abitato per oltre centocinquantamilioni di anni sul nostro pianeta evolvendosi ed arrivando a raggiungere dimensioni gigantesche.

Il brachisauro,  scoperto in Tasmania negli anni dieci del secolo scorso ed attualmente nel Museum für Naturkunde di Berlino, era alto dodici metri e si stima pesasse fra le trenta e le quaranta tonnellate, mentre il diplodoco, scoperto nello Wyoming nel 1907 e montato nel Carnegie National History Museum di Pittsburgh, era lungo ventisette metri.

Sono stati trovati però resti di dinosauri molto più piccoli, della dimensione di pochi centimetri.

Un recentissimo articolo (4) spazza via alcune vecchie teorie che sostenevano che i dinosauri si erano estinti gradualmente nell’arco di milioni di anni a causa di fluttuazioni a lungo termine della temperatura della terra e del livello del mare che avevano procurato cambiamenti nell’habitat e quindi nel tipo e nella disponibilità di cibo, confermando invece l’ipotesi distruttiva dell’impatto di un grosso asteroide sulla terra formulata nel 1980.

In quell’anno il premio Nobel per la fisica Luis Alvarez col figlio Walter, planetologo, ed il fisico nucleare Frank Asaro analizzarono vari campioni di uno strato di argilla,  prelevati al livello geologico corrispondente alla fine del Cretaceo in una gola vicino a Gubbio, chiamata gola del Bottaccione,  e vi trovarono una concentrazione elevata di Iridio, un elemento raro nella crosta terrestre ma abbondante negli asteroidi, cioè nelle rocce provenienti dallo spazio.

Questo risultato, confermato da analoghe ricerche effettuate in molti altri siti nel mondo su rocce terrestri e marine, portò a formulare la teoria dell’impatto mettendo in ombra teorie precedenti  basate sugli effetti di una serie di eruzioni vulcaniche, verificatesi alla fine del cretaceo nell’area dei Trappi del Deccan a est di Mumbai in India.

Le eruzioni furono di enormi proporzioni considerando che le colate laviche stratificate coprono una superficie paragonabile a quella della Francia con un spessore di circa due km.

Oggi alcuni studiosi ritengono  l’attività vulcanica, che sarebbe durata circa cinquecentomilioni di anni, una causa concomitante, per cui la caduta dell’asteroide sarebbe stato in pratica il colpo di grazia in una situazione già critica per l’esistenza dei dinosauri.

La localizzazione nel 1990 del cratere Chicxulub, nella penisola dello Yucatan, vicino a Mérida in Messico, di centoottanta km di larghezza e databile proprio intorno a sessantasei milioni di anni fa, è stata la conferma definitiva che comunque era avvenuto un impatto violentissimo tra un oggetto proveniente dallo spazio ed il nostro pianeta.

Dalle dimensioni del cratere è stato possibile risalire a quelle dell’asteroide stimate in circa dieci chilometri di diametro.

Dai calcoli della velocità e della sua massa si presume che nell’urto sia avvenuta una liberazione di energia equivalente ad oltre centomila miliardi di tonnellate di tritolo,  infinitamente di più delle bombe di Hiroshima e Nagasaki, con conseguenze devastanti per il pianeta.

Miliardi di tonnellate di materia sarebbero stati eiettati dalla zona d’impatto e proiettati dovunque.

Si generarono onde sismiche che interessarono tutto il pianeta fino ad un livello dieci della scala Richter; avvennero incendi, tsunami e cadute di frammenti rocciosi incandescenti per l’impatto con l’atmosfera.

Da analisi di sedimenti negli strati corrispondenti a sessantasei milioni di anni fa vicino al golfo del Messico, che alcuni studiosi ritengono ridisegnato dallo tsunami, si è potuto risalire ad una altezza delle onde create dallo tsunami di almeno cento metri.

Inoltre polveri, ceneri e fuliggine sospese nell’atmosfera avrebbero oscurato il cielo per mesi o forse per anni bloccando la radiazione solare, e quindi la fotosintesi, con gravissime ripercussioni sulla catena alimentare coinvolgendo tutte le forme di vita, animale e vegetale, del pianeta.

Le ricerche recenti portano a stimare che oltre la metà della biomassa mondiale fu ridotta in cenere entro un mese dall’impatto. L’analisi degli strati fossili ha dimostrato che anche le specie non estinte erano state decimate e per almeno mezzo milione di anni sia la terra che gli oceani, la cui chimica e biodiversità furono stravolte, risentirono della catastrofe.

Ma questa fu una, e non la più grave, delle cinque grandi estinzioni di massa riconosciute dai paleontologi; circa duecentocinquantamilioni di anni fa ci fu infatti la più catastrofica estinzione di massa di tutti i tempi, chiamata “the Great Dying” (la grande moria), con l’eliminazione di circa il novanta per cento di tutte le specie del nostro pianeta.

Ma come è possibile che un oggetto extraterrestre di notevoli dimensioni possa colpire la Terra con delle conseguenze così impressionanti?

Per spiegare l’ipotesi della Randall occorre fare un breve accenno al sistema solare ed alla nostra galassia.

Giornalmente entrano nella nostra atmosfera circa cinquanta tonnellate di materia costituita da milioni di minuscoli “meteoroidi” dallo spazio interplanetario.

Hanno dimensioni che vanno da qualche millesimo di millimetro (si parla in questo  caso di “polvere cosmica”) a circa un metro in rari casi e non costituiscono alcun pericolo per il nostro pianeta.

Anzi, una volta “atterrati” e magari frantumati o mescolati col suolo  terrestre costituiscono i meteoriti la cui composizione chimica ci permette di risalire all’origine della loro provenienza.

Più grandi dei meteoroidi sono gli asteroidi  le cui dimensioni sono comprese all’incirca tra qualche metro fino a circa i mille chilometri  di Cerere, il maggiore asteroide conosciuto, spesso definito pianeta nano.

Si stima che ne esistano milioni che orbitano all’interno del sistema solare localizzati in fasce che, come nel caso della “fascia principale” compresa tra Marte e Giove, si estendono per centinaia di milioni di chilometri.

Nella “fascia principale” si calcola che si trovino circa ottocentomila asteroidi con un diametro superiore a un km ed un numero enorme ma imprecisato di asteroidi di dimensioni minori, tanto più abbondanti quanto più piccoli.

A questi oggetti vanno aggiunte le comete che sono corpi con un nucleo composto da materiale roccioso alternato a ghiaccio, metano, anidride carbonica, ammoniaca ed altre sostanze gassose allo stato solido, congelate in quanto si originano nelle regioni più esterne del sistema solare dove le temperature sono di oltre duecento gradi sotto lo zero.

Quando le comete si trovano, nel corso della loro orbita, a transitare nelle vicinanze del sole, i gas congelati sulla superficie tendono a  vaporizzarsi creando la spettacolare “chioma” attorno al nucleo e poi, per effetto soprattutto del vento solare, la lunga coda luminosa. Vi sono comete dette di corto periodo, con periodo orbitale inferiore ai duecento anni, il cui “serbatoio” si trova nella fascia di Kuiper, all’esterno delle orbite dei pianeti maggiori, all’incirca tra Nettuno e Plutone, distante dal sole fra trenta e cinquantacinque AU (unità astronomica pari a circa centocinquantamilioni di km che è la distanza fra Terra e Sole) e più precisamente nel cosiddetto disco diffuso (scattering disc) che si sovrappone alla fascia di Kuiper ma si estende fino ad oltre cento AU dal Sole.

Esistono poi le comete di lungo periodo temporale orbitale, da duecento a migliaia o milioni di anni, la cui sorgente si suppone sia la lontana nube di Oort, una enorme nuvola sferica che contiene anche miliardi di piccoli oggetti e si estende da circa mille AU a oltre cinquantamila AU di distanza dal Sole, quindi al di fuori dello spazio planetario e della fascia di Kuiper, arrivando praticamente fino ai limiti del sistema solare, cioè dove la forza attrattiva del Sole diventa trascurabile.

L’impatto più recente di un oggetto extraterrestre di notevoli dimensioni si è avuto il 15 febbraio 2013 con la disintegrazione a circa trenta km dal suolo, di un asteroide di oltre diecimila tonnellate e di circa quindici metri di diametro entrato nell’atmosfera ad una velocità di sessantamila km/h, in Russia, in una zona a sud degli Urali nelle vicinanze della cittadina di Chelyabinsk.

L’energia sprigionata è stata valutata in cinquecentomila tonnellate di tritolo (cinquecento kilotons di TNT), da venti a trenta volte la potenza della bomba atomica di Hiroshima, in gran parte assorbita dall’atmosfera, anche se un’onda d’urto di notevole energia ha colpito la Terra dopo qualche minuto causando circa millecinquecento feriti a causa soprattutto delle schegge dei duecentomila mq di vetri andati in frantumi e danni per oltre trenta milioni di dollari.

Il Sole, con tutta la sua famiglia di pianeti, asteroidi, comete e meteoroidi, fa parte della Via Lattea, un immenso disco spiraliforme costituito da gas, polveri e da duecento a quattrocento  miliardi di stelle, che si estende all’incirca per centotrentamila anni luce con uno spessore di circa duemila anni-luce (l’anno-luce è lo spazio percorso  dalla luce, che viaggia a circa 300.000 km/sec, in un anno; è pari a 63.241 A.U. e a 9.461 miliardi di km).

La Via Lattea, il cui nome si riferisce al colore della striscia biancastra visibile nel cielo, che i greci chiamavano semplicemente Galassia (dal greco “Galaxios”, latteo), è una delle innumerevoli galassie presenti nel cosmo: si calcola che il loro numero  nell’universo osservabile sia compreso tra trecento e i cinquecento miliardi.

Nel centro della Via Lattea si trova un gigantesco buco nero (un oggetto cosmico il cui campo gravitazionale è così intenso che nulla può uscire dal suo interno, nemmeno la luce), chiamato Sagittarius A, con una massa pari a quattro milioni di masse solari.

La galassia è immersa in un vastissimo alone galattico sferico di materia oscura (materia invisibile perché non emette, assorbe o riflette la luce; la sua esistenza è stata ipotizzata dai suoi effetti gravitazionali) con un diametro di circa seicentocinquantamila anni luce ed una massa stimata fra seicento e i tremila miliardi di masse solari.

Il Sole è localizzato molto vicino al piano mediano del disco galattico, attualmente a meno di cento anni-luce, ed a circa ventisettemila anni luce dal centro della Via Lattea.

Analogamente alle centinaia di milioni di stelle della galassia, il sistema solare ruota attorno al centro della galassia con una velocità di duecentoventi km al secondo ed impiega duecentoquaranta milioni di anni per completare un’orbita quasi circolare.

Nel suo periplo orbitale il Sole oscilla verticalmente attraversando il piano mediano della galassia con un periodo stimato in circa trenta-quaranta milioni di anni.

Questo dato è stato studiato in dettaglio ad esempio nel recente lavoro di Rampino e Caldeira (5), che hanno analizzato l’esistenza di una possibile correlazione tra il periodo dell’oscillazione solare, la formazione di grandi crateri causati da violenti impatti sul nostro pianeta e la cadenza degli eventi di estinzione di massa verificatisi negli ultimi duecentosessanta milioni di anni.

Gli autori, pur con le dovute riserve per l’imprecisione di molti dati, trovano che esiste una relazione di causa-effetto: gli  eventi che hanno caratterizzato le estinzioni di massa nel periodo di tempo preso in esame, corrispondono temporalmente alla formazione dei maggiori crateri da impatto verificatisi nello stesso periodo e quindi si può affermare “ che i cicli di evoluzione geologica e biologica sulla Terra potrebbero essere parzialmente controllati dai ritmi delle dinamiche Galattiche” (5).

Una possibile spiegazione scientifica di questa periodicità è l’argomento affrontato dalla Randall nel suo lavoro:  l’esistenza di crateri generati da impatti cosmici “offre un’affascinante opportunità di esplorare una connessione tra fenomeni sulla terra ed eventi nel sistema solare come un tutt’uno, un’unica lente attraverso la quale aumentare la conoscenza del cosmo….Se gli impatti dei meteoroidi si verificano realmente con regolarità, questa dipendenza temporale potrebbe indicare una causa sottostante di natura cosmica” (1).

Randall e il suo gruppo si sono limitati a considerare i crateri superiori a venti km, che presuppongono impatti con oggetti di almeno un km, verificatisi negli ultimi duecentocinquantamilioni di anni.

Non è facile estrarre una chiara periodicità dai dati raccolti a causa anche di molti eventi casuali che generano discrepanze nei risultati mascherando un’eventuale evidenza statistica, ma se gli effetti periodici sono relazionabili a dati legati al movimento ed agli effetti gravitazionali del sistema solare, “si può mettere insieme tutto ciò che conosciamo della galassia e del posizionamento del Sole al suo interno, per predire il suo movimento e paragonare queste predizione con i dati “(1).

I meccanismi che possono provocare fenomeni periodici sono ascrivibili per la maggior parte alle comete a lungo periodo provenienti dalla lontana nube di Oort, che è considerata la sorgente della maggior parte delle comete che passano vicino al Sole.

Le comete, anche se in numero circa cento volte minori degli asteroidi, possiedono un’energia nettamente maggiore in quanto viaggiano a velocità di settanta e oltre km/sec rispetto ai dieci-trenta km/sec degli asteroidi.

Ricordando che l’energia di un oggetto in movimento è proporzionale oltre che alla sua massa al quadrato della sua velocità si comprende la grande  differenza tra gli effetti provocati dai due oggetti spaziali.

Randall assume, anche se non vi è provata certezza, che le comete provenienti dalla nube di Oort siano responsabili per i violentissimi impatti sulla Terra in quanto solo in questo modo sembra spiegabile la periodicità dei fenomeni.

L’azione gravitazionale del Sole mantiene le comete della nube di Oort nelle loro orbite, ma a causa della sconfinata distanza della nube, l’attrazione solare è molto debole, molto minore di quella tra Sole e Terra.

In queste condizioni anche un lieve disturbo può portare fuori orbita la cometa, facendola uscire dal sistema solare oppure ponendola su una traiettoria diretta verso l’interno del sistema solare.

Il sistema solare, nella sua periodica oscillazione circa ogni trentadue milioni di anni sopra e sotto il piano mediano della galassia, subisce, avvicinandosi all’attraversamento del piano, un netto aumento degli effetti gravitazionali dovuti all’aumentata densità di materia nella zona centrale del disco galattico.

Ma questi effetti, dovuti alla materia ordinaria, cioè visibile, della via lattea indurrebbero delle perturbazioni non sufficienti a spiegare ad esempio la durata del periodo dell’oscillazione solare che è causata dal richiamo gravitazionale del disco galattico ogni qualvolta il sistema solare se ne allontana.

Qui interviene l’ipotesi, nuova ed originale ma tutta da dimostrare, della Randall e del suo gruppo.

L’idea è che, come la materia ordinaria è costituita da differenti tipi di particelle, esista una piccola frazione, circa il cinque per cento, di materia oscura diversa dalla materia oscura ordinaria che costituisce oltre l’ottanta per cento di tutta la materia dell’universo e che finora gli scienziati hanno considerato costituita da un unico tipo di particella.

Questa nuova materia oscura sarebbe composta da particelle cariche di diverso segno (positive e negative) che interagirebbero tra loro mediante scambio di fotoni invisibili (dark light), analogamente alle interazioni elettromagnetiche che si hanno nella materia ordinaria tra particelle di segno diverso come elettroni e protoni.

Le particelle di materia oscura cariche irraggerebbero energia fino a raffreddarsi al punto da aggregarsi condensandosi sotto forma di atomi oscuri, in modo da formare un disco nel piano mediano della via lattea.

Considerando che la massa stimata per le particelle oscure è circa cento volte la massa del protone, si può valutare che lo spessore del disco “oscuro” (dark disc) sia circa cento volte più sottile e molto più denso del disco galattico dentro il quale si trova inglobato.

I due dischi, sebbene diversi, sono allineati sullo stesso piano perché comunque interagiscono fra loro attraverso la forza gravitazionale.

L’azione del dark disc dovrebbe avere un influsso notevole sugli oggetti della via lattea a secondo della loro distanza dal disco, nonché sull’oscillazione del sistema solare attorno al piano mediano.

Lavorando su questo modello chiamato con l’acronimo DDDM (double disk dark matter) si ricava che il campo gravitazionale della nostra galassia, come degli altri milioni di galassie, sarebbe maggiore di quello stimato senza il dark disc, soprattutto, dato il ridotto spessore di tale disco, nei pressi del piano mediano.

Ne segue che, dal momento che questa distribuzione di materia deve esercitare una importante influenza gravitazionale sul movimento delle stelle della galassia, quando la loro posizione e velocità saranno misurate con una precisione adeguata, sarà possibile, dai dati ottenuti, confermare o rigettare l’idea del dark disc.

Una risposta si potrà avere grazie al satellite GAIA, lanciato a fine 2013 dall’ESA (European Space Agency) che determinerà nell’arco di cinque anni, mediante una strumentazione sofisticatissima, la posizione e la velocità di un miliardo di stelle della via lattea (circa l’uno per cento di quelle presenti), oltre a vari altri parametri, in modo da creare una mappa tridimensionale estremamente accurata della nostra galassia.

Dalla distribuzione della sua densità si potrà non solo ammettere o scartare l’ipotesi del dark disc, ma, in caso affermativo, si potranno dedurre informazioni sul suo spessore e la sua densità e quindi sulla massa del nuovo tipo di particelle di materia oscura e su quanta materia oscura di questo tipo esista.

L’esistenza del dark disc potrebbe favorire, al passaggio periodico del sistema solare attraverso il piano galattico mediano, lo spostamento di sciami di comete periferiche della nube di Oort dalle loro orbite a causa della forte attrazione gravitazionale del dark disc, che potrebbero essere scagliate altrove ed anche verso le regioni più interne del sistema solare in prossimità della Terra provocando o contribuendo a fenomeni catastrofici come le estinzione di massa.

La coincidenza tra la cadenza nella datazione di importanti crateri terrestri stimata in circa trentacinque milioni di anni, anche se contestata da vari ricercatori, le conclusioni di studi sul clima su un periodo di cinquecentoquaranta milioni di anni che riportano  variazioni climatiche con un periodo di trentadue milioni di anni, e la periodicità del passaggio attraverso il piano mediano della via lattea da parte del sistema solare (circa trentadue milioni di anni), malgrado le grandi incertezze sulla precisione di questi intervalli temporali, sarebbe una conferma della ipotesi della esistenza del dark disc.

Questo disco, composto da un nuovo tipo di materia oscura in grado di compattarsi in un oggetto cosmico ad alta densità,  potrebbe provocare delle alterazioni  nelle orbite delle comete lontane del sistema solare nel milione o due di anni che il sistema impiega per attraversare il disco.

Ciò confermerebbe una interconnessione tra cicli geologici ed evolutivi sulla Terra e lontanissimi accadimenti nell’immensa via lattea.

Saggiamente però, nella conclusione del suo libro, Lisa Randall, forse memore dell’avvertimento di Leonardo “La sperienza non falla mai, ma sol fallano i nostri giudizi”, ammette “La proposta sulla materia oscura che ho presentato potrebbe essere al momento un esperimento mentale, ma è un’ipotesi che sarà validata o meno dalle prossime misure. I dati e la loro consistenza teorica sono gli arbitri indiscutibili di ciò che è corretto” (1).

Francesco Cappellani

 

(1)                       Lisa Randall “Dark Matter and the Dinosaurs. The Astounding Interconnectedness of the Universe” Harper Collins (2015)

(2)                       Francesco Cappellani “Dove va la fisica” Dissensi e Discordanze, novembre 2014

(3)                       Lisa Randall and Matthew Reece “Dark Matte as a Trigger for Periodic Comet Impacts” Physical Review Letters 112, 161301 – 21 April 2014

(4)                       Stephen L. Brusatte et al. “The Extinction of the Dinosaurs” Biological Reviews, vol.90 n.2, May 2015

(5)                       Michael R. Rampino and Ken Caldeira “Periodic impact cratering and extinction events over the last 260 million years” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 454, issue 4, 2015