Vera Rubin, astronomo Americano che ha stabilito la presenza di materia oscura nelle galassie, le misure di spettri nel 1970. Foto per gentile concessione di Vera Rubin.

Anche se suo padre era dubbioso circa le opportunità di carriera in astronomia, ha sostenuto il suo interesse aiutandola a costruire il proprio telescopio e andare con lei alle riunioni di astronomi dilettanti. Ha ottenuto una borsa di studio al prestigioso collegio femminile Vassar, dove si è laureata come unica laurea in astronomia nel 1948. Applicando alle scuole di specializzazione, Rubin è stato detto che ” Princeton non accetta le donne” nel programma di astronomia. (Tale politica non è stata abbandonata fino al 1975.) Imperterrito, Rubin applicato a Cornell, dove ha studiato fisica sotto Philip Morrison, Richard Feynman, e Hans Bethe. Ha poi continuato a Georgetown University, dove ha conseguito il dottorato di ricerca nel 1954 (sotto George Gamow, che era vicino alla George Washington University).

“In una galassia a spirale, il rapporto tra materia oscura e luce è di circa un fattore dieci. Questo è probabilmente un buon numero per il rapporto tra la nostra ignoranza e conoscenza. Abbiamo finito l’asilo, ma solo in terza elementare.”- Vera Rubin

Dopo aver insegnato per alcuni anni a Georgetown, ha preso una posizione di ricerca presso la Carnegie Institution di Washington, che aveva un modesto programma di astronomia. Il suo lavoro si è concentrato sulle osservazioni della dinamica delle galassie. Ha collaborato con Kent Ford, un astronomo che aveva sviluppato uno spettrometro estremamente sensibile.

Rubin e Ford hanno usato lo spettrometro per diffondere lo spettro della luce proveniente dalle stelle in diverse parti delle galassie a spirale. Le stelle nel disco di una galassia si muovono in orbite approssimativamente circolari attorno al centro. Se il disco è inclinato alla nostra linea di vista, le stelle da un lato si avvicinano a noi mentre quelle dall’altro lato si allontanano. Quando una fonte di luce si muove verso di noi, vediamo una diminuzione delle lunghezze d’onda della luce (uno spostamento verso l’estremità blu dello spettro), e quando la sorgente si allontana, vediamo un aumento delle lunghezze d’onda (uno spostamento verso l’estremità rossa). Questo è chiamato effetto Doppler e lo spostamento della lunghezza d’onda è proporzionale alla velocità della sorgente luminosa rispetto all’osservatore. Rubin e Ford hanno effettuato accurate misurazioni degli spostamenti Doppler attraverso i dischi di diverse galassie. Potrebbero quindi calcolare le velocità orbitali delle stelle in diverse parti di quelle galassie.

Poiché la regione centrale di una galassia a spirale ha la più alta concentrazione di stelle visibili, gli astronomi presumevano che la maggior parte della massa e quindi della gravità di una galassia sarebbe stata concentrata verso il suo centro. In tal caso, più una stella è lontana dal centro, più lenta è la sua velocità orbitale prevista. Allo stesso modo, nel nostro sistema solare, i pianeti esterni si muovono più lentamente intorno al Sole rispetto a quelli interni. Osservando come la velocità orbitale delle stelle dipende dalla loro distanza dal centro di una galassia, gli astronomi, in linea di principio, potrebbero calcolare come la massa è distribuita in tutta la galassia.

Quando Rubin e Ford iniziarono a fare osservazioni Doppler delle velocità orbitali nelle galassie a spirale, scoprirono immediatamente qualcosa di completamente inaspettato. Le stelle lontane dai centri delle galassie, nelle regioni esterne scarsamente popolate, si muovevano altrettanto velocemente di quelle più vicine. Questo era strano, perché la massa visibile di una galassia non ha abbastanza gravità per tenere in orbita stelle così in rapido movimento. Ne seguì che doveva esserci un’enorme quantità di materia invisibile nelle regioni esterne delle galassie dove le stelle visibili sono relativamente poche. Rubin e Ford hanno continuato a studiare una sessantina di galassie a spirale e hanno sempre trovato la stessa cosa. ” Quello che vedi in una galassia a spirale”, ha concluso Rubin, ” non è quello che ottieni.”

I suoi calcoli hanno mostrato che le galassie devono contenere circa dieci volte la massa” oscura ” che può essere rappresentata dalle stelle visibili. In breve, almeno il novanta per cento della massa nelle galassie, e quindi nell’universo osservabile, è invisibile e non identificato. Poi Rubin ricordò qualcosa che aveva imparato come studente laureato sulle prove precedenti per la massa invisibile nell’universo. Nel 1933, Fritz Zwicky aveva analizzato le velocità Doppler di intere galassie all’interno dell’ammasso di Coma. Ha scoperto che le singole galassie all’interno dell’ammasso si muovono così velocemente che fuggirebbero se l’ammasso fosse tenuto insieme solo dalla gravità della sua massa visibile. Poiché l’ammasso non mostra segni di volo a parte, deve contenere una preponderanza di “materia oscura”—circa dieci volte più della materia visibile—per legarlo insieme. La conclusione di Zwicky era corretta, ma i suoi colleghi erano stati scettici. Rubin si rese conto di aver scoperto prove convincenti per la materia oscura di Zwicky. La maggior parte della massa dell’universo è davvero nascosta alla nostra vista.

Molti astronomi erano inizialmente riluttanti ad accettare questa conclusione. Ma le osservazioni erano così inequivocabili e l’interpretazione così semplice che presto si resero conto che Rubin doveva avere ragione. Le stelle luminose sono solo i traccianti visibili di una massa molto più grande che costituisce una galassia. Le stelle occupano solo le regioni interne di un enorme “alone” sferico di materia oscura invisibile che comprende la maggior parte della massa di una galassia. Forse ci sono anche grandi accumuli di materia oscura nei vasti spazi tra le galassie, senza stelle visibili per tracciare la loro presenza. Ma se è così, sarebbero molto difficili da osservare.

E cos’è questa “materia oscura”, finora inosservata se non per l’effetto della sua gravità sulle stelle? La questione è uno dei principali misteri irrisolti dell’astronomia oggi. Molti astronomi teorici e osservazionali sono al lavoro cercando di rispondere.

Vera Rubin continua ad esplorare le galassie. Nel 1992, ha scoperto una galassia (NGC 4550) in cui metà delle stelle nel disco orbitano in una direzione e metà nella direzione opposta, con entrambi i sistemi mescolati! Forse questo è il risultato della fusione di due galassie che ruotano in direzioni opposte. Rubin da allora ha trovato diversi altri casi di comportamento simile bizzarro. Più recentemente, lei ei suoi colleghi hanno scoperto che metà delle galassie nel grande ammasso della Vergine mostrano segni di disturbi dovuti a incontri gravitazionali ravvicinati con altre galassie.

In riconoscimento dei suoi successi, Vera Rubin è stata eletta all’Accademia Nazionale delle Scienze e nel 1993 è stata insignita della Medaglia Nazionale della Scienza. Ma nel corso della sua carriera, Rubin non ha cercato lo status o il plauso. Piuttosto, il suo obiettivo era la soddisfazione personale della scoperta scientifica. ” Abbiamo sbirciato in un nuovo mondo”, ha scritto, ” e abbiamo visto che è più misterioso e più complesso di quanto avessimo immaginato. Ancora più misteri dell’universo rimangono nascosti. La loro scoperta attende gli avventurosi scienziati del futuro. Mi piace così.”