Materia oscura ed energia oscura (III parte)

Prof. Francesco Bertola, Dipartimento di Astronomia – Università degli Studi di Padova

Tuttavia osservando le galassie esterne si è arrivati oggi a scoprirne qualche centinaio all’anno e tra queste qualche decina è sufficientemente lontana per fornire informazioni su come l’universo si espande.

Un ruolo essenziale nella individuazione di queste ultime è svolto dal telescopio spaziale Hubble. La scoperta del 1998 mise in evidenza che supernovae lontane apparivano più deboli di quello che ci si aspettava se la distanza fosse stata quella indicata dalla loro velocità di recessione, dovuta all’espansione dell’universo, nell’ipotesi che questa fosse di tipo decelerato come fino ad allora si pensava. Il fatto che fossero più deboli significava che la loro distanza era più grande e questo era compatibile solo se l’universo anziché essere frenato nel suo moto di espansione dall’azione gravitazionale della materia, fosse accelerato. Un fatto di enorme portata che non era mai stato seriamente considerato prima.
Un’analisi più accurata, compiuta in questi ultimissimi anni, ha permesso inoltre di accertare l’andamento di questa accelerazione. Supernove ancora più lontane delle precedenti esplose 10 miliardi di anni fa, quando l’universo era ancora relativamente giovane, indicano invece un’espansione decelerata. Se ne conclude che il nostro universo, che riteniamo abbia un’età di circa 15 miliardi di anni, abbia trascorso i primi 10 miliardi in una fase di espansione con velocità decrescente, e che solo 5 miliardi di anni fa, si è iniziato quel moto per cui la sua velocità di espansione è in continuo aumento nel tempo.

Improvvisamente ci si rese conto che l’universo non era semplicemente governato dall’attrazione gravitazionale esercitata dalla materia, ma anche da un’altra entità con proprietà opposte, cioè repulsive, capace di accelerare l’universo, che fu chiamata “energia oscura” sulla cui natura si fanno congetture ma che dallo stato attuale risulta sconosciuta. Lo studio dettagliato di come si allontanano le supernovae permetterà di approfondire le nostre conoscenze sul comportamento del universo.

A questo scopo, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e la NASA ha messo a punto un progetto scientifico denominato JDEM (Joint Dark Energy Mission, sito web: http://jdem.gsfc.nasa.gov/), costituito da un telescopio orbitante dotato di specchio di due metri di diametro particolarmente adatto per individuare le supernovae lontane.

Un risultato astrofisico di notevole rilevanza che ci ha permesso di valutare il ruolo dell’energia oscura nell’universo è stato quello ottenuto da una équipe italo- americana guidata da Paolo De Bernardis dell’Università di Roma “La Sapienza”. Con l’esperimento “BOOMERANG” (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics) è stata studiata la struttura della radiazione di fondo, che ci rivela lo stato dell’universo all’età di circa trecentomila anni, quando le grandi strutture e le singole galassie erano solo in stato embrionale.

Questa ricerca, successivamente confermata da altre, ha permesso di stabilire che il nostro universo è piatto, cioè che la sua geometria è quella euclidea, come voleva anche la teoria dell’inflazione primordiale a cui si è accennato.

Questo risultato ci permette di concludere che proprio l’energia oscura è la componente che cercavamo, che porta l’universo al limite della chiusura. Facendo i conti risulta quindi che il 73% del contenuto dell’universo è energia oscura, con le sue proprietà di repulsione, il 23% è costituito da materia oscura non barionica e solo il 4% è fatto di materia ordinaria, cioè barionica. Solo una frazione di quest’ultima è materia luminosa. Un risultato sconcertante, in cui assistiamo ad una applicazione estrema del principio copernicano: la materia di cui siamo fatti gioca un ruolo trascurabile nel bilancio cosmico. La causa dell’energia oscura è stata cercata sia nella teoria della relatività generale che nella meccanica quantistica.

Una rappresentazione della radiazione cosmica di fondo del nostro Universo osservata da BOOMERANG.

La relatività permette di individuare forme di energia che producono una gravità repulsiva, già introdotta da Einstein quando volle far rimanere in equilibrio il suo primo modello statico dell’universo.

Si parla anche in termini quantistici di energia del vuoto, che non va pensato come realmente vuoto, ma pieno di particelle virtuali e capaci di esercitare forze di repulsione. A questo punto ci si può chiedere: quale sarà il destino del cosmo nel nuovo scenario in cui l‘energia oscura fa da padrona. Ovviamente tutto dipende dalla sua natura, ancora sconosciuta e da come la sua densità varierà col tempo.

Se la densità dell’energia oscura diminuirà con il tempo si potrà arrivare ad una situazione in cui la materia ridiventa dominante con gli scenari già descritti. Se invece la densità è costante o addirittura aumenta, entro l’orizzonte cosmologico, definito come quella sfera di raggio pari all’età dell’universo moltiplicata per la velocità della luce, gli oggetti saranno sempre meno numerosi. In 100 miliardi di anni la nostra galassia sarà la sola entro l’orizzonte, tutte le altre saranno sparite dalla nostra visuale.

Si è anche ipotizzato che il ruolo dell’energia oscura diventi così rilevante a causa della sua azione repulsiva da lacerare la materia anche nelle sue strutture più intime. Si avrebbe così a che fare con una distruttiva “energia fantasma” che in circa 20 miliardi di anni porterebbe l’universo alla sua fine, che viene chiamata Big Rip, cioè la grande disgregazione. Sessanta milioni di anni prima del Big Rip la nostra galassia sarà distrutta, 3 mesi prima anche il sistema solare si dissolverà, 30 minuti prima la terra esploderà e 10-19 secondi prima del Big Rip anche i nuclei atomici si disgregheranno completamente.

Tutto questo può sembrare fantastico, speculazione spinta all’estremo e in un certo senso lo è. Ciò che importa tuttavia è che in futuro si possa essere in grado di fare delle scelte, quando la natura dell’energia oscura diventerà più comprensibile. E a questo traguardo si arriverà mediante l’accurata osservazione astronomica che costituirà sempre la solida base su cui si devono fondare anche le speculazioni più spinte.

Francesco Bertola

BIBLIOGRAFIA Mario Livio, The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Beauty of the Cosmos, John Wiley and Sons Inc. 2001 Wendy L. Freedman e Michael S. Turner, Cosmology in the New Millennium, Sky and Telescope, Ottobre 2003 Adam G. Riess e Michael S. Turner, E l’universo accelerò, Le Scienze, Marzo 2004 Autori Vari, Origin and Fate of the Universe, Astronomy Special Cosmology Issue, 2004.

Fonte Chiaramente Scienza – Istituto Veneto di Scienze Lettere ed Arti. Approfondimenti a cura di Francesco Bertola.
http://www.istitutoveneto.it/chiaramentescienza/index.php?Esplorazione-delluniverso-le-nuove-frontiere-2 .

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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