Friday, 21 Sep 2018

L’Universo Oscuro (prima parte)

di Stephen Battersby per Nature 537 , S201-S204 (29 settembre 2016) doi: 10.1038 / 537S201a pubblicato online 28 settembre 2016

L’energia oscura è il nome che i fisici usano per qualsiasi sostanza, forza o proprietà di spazio che interagisce con l’ Universo, rendendo la sua espansione accelerata. Al momento pur non sapendo quasi nulla su di essa, ha prodotto un enorme numero di teorie. Gli astronomi stanno perfezionando una serie impressionante di strumenti sul problema. Telescopi e rivelatori radio tracciano sempre di più l’universo nella speranza di trovare un’ impronta digitale di energia oscura. Agenzie spaziali stanno progettando due missioni per esaminare la questione. La più violenta di tutte le esplosioni stellari potrebbero fornire una conoscenza sulla sua influenza sull’ Universo primordiale. E una nuova branca dell’astronomia potrebbe avere un nuovo ruolo da svolgere, come i rivelatori di onde gravitazionali che cominciano a sentire l’effetto dell’energia oscura sugli echi di collisione dei buchi neri.

A differenza della ricerca di materia oscura, questa ricerca è più giovane. Gli scienziati sapevano già alla fine del 1920 che l’universo era in espansione, ma si era ipotizzato che l’espansione dovesse rallentare. Nel 1998, due team hanno scoperto tutto il contrario. Stavano ricercando esplosioni stellari di un particolare tipo di supernovae (quelle di tipo Ia), che si verificano quando le nane bianche vengono sottoposte ad una reazione nucleare. La luminosità intrinseca di tipo Ia è fissata dalla velocità di come la sua luce si affievolisce – quelle più brillanti son quelle che bruciano più brevemente. Quindi, contando in quanti giorni una supernova di tipo Ia svanisce, si può capire quanto sia la luce emessa dall’esplosione; poi, misurando la sua luminosità apparente verso la Terra, è possibile calcolare la distanza della supernova e sapere quanto la luce ha viaggiato. Questo tipo di sonda cosmologica è chiamata candela standard.
Gli astronomi misurano anche lo spostamento verso il rosso di ogni supernova. Questo è l’importo di cui la lunghezza d’onda della luce è stata allungata da quando è stata emessa, ciò rivela il grado con cui lo spazio si è espanso. Combinando queste osservazioni gli astronomi hanno potuto determinare l’espansione dell’universo nel tempo, e cioè come entrambe le squadre abbiano scoperto che la velocità di espansione non sta rallentando, bensì accelerando. La loro conclusione: sembra che qualcosa si opponga all’attrazione gravitazionale.

CMB – Cosmic Microwave Background – WMAP (2012)
La dettagliata immagine del cielo dell’universo primordiale creato da nove anni di dati di WMAP. L’immagine rivela le variazioni di temperatura 13.77 miliardi di anni fa (indicate come differenze di colore) che corrispondono ai semi che crebbero fino a diventare le galassie. Il segnale dalla nostra galassia è stata sottratta utilizzando i dati multi-frequenza. Questa immagine mostra una gamma di temperature di ± 200 microkelvin.
Credit: NASA / WMAP Science Team

Quel qualcosa, ora nota come energia oscura, è avvolta nel mistero. Tutto quello che sappiamo è che ha la proprietà peculiare di spingere verso l’esterno, a differenza della gravità, che è stata pensata essere la forza cosmica dominante. Ora gli astronomi vogliono scoprire se questo fenomeno enigmatico cambia nel tempo. Hanno cominciato a guardare ancora più da vicino il modo in cui l’Universo si è espanso, alcuni dalla raffinazione dell’uso di supernove come candele standard, altri mettendo a punto nuovi strumenti cosmologici.
Finora, lo strumento più efficace è basato su onde sonore cosmiche. Poco dopo il Big Bang, l’Universo è stato riempito con una miscela elastica di ioni, elettroni e radiazioni, anomalie di densità di piccole dimensioni (create da fluttuazioni quantistiche nei primi 10^-32 secondi di vita dell’Universo) , inviando onde sonore increspate verso l’esterno. Dopo circa 400.000 anni, l’Universo si era raffreddato abbastanza per far si che gli ioni catturassero gli elettroni. Poiché gli atomi neutri risultanti erano trasparenti alla radiazione, lasciando sfrecciare via i fotoni, la miscela non era più elastica. Siccome il suono ha bisogno di un mezzo elastico per viaggiare, le onde sonore primordiali si sono arrestate, imprimendo un disegno indelebile sulla struttura a grande scala dell’Universo. Così, invece di essere posizionate completamente a caso, le galassie hanno una leggera tendenza ad essere distanziate a intervalli regolari. La distanza caratteristica cresce con l’espansione dell’universo, e si trova a circa 500 milioni di anni luce (153 megaparsec) di oggi.

Proprio come le supernovae, usate come candele standard, queste oscillazioni acustiche barioniche (BAO) possono essere usate come regolatore standard. Segnando la posizione di un numero sufficiente di galassie, si può misurare la dimensione apparente delle BAO. Confrontando con la dimensione prevista per il loro spostamento verso il rosso, si può capire come queste particolari BAO siano lontano. Misurando il redshift di queste galassie e tracciando la contro distanza, è possibile rivelare come l’espansione dello spazio si sia comportato attraverso la storia cosmica.
La migliore vista delle BAO è stata rivelata in luglio da un programma della Sloan Digital Sky Survey chiamato il Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Questa è la più grande indagine mai fatta prima. “Questa tecnica sta davvero affermando la propria identità”, dice Saul Perlmutter, un fisico di Berkeley, Università della California, che ha guidato una delle squadre che ha scoperto l’energia oscura nel 1998 e che ha ricevuto una quota del premio Nobel 2011 per la Fisica insieme con Adam Riess e Brian Schmidt per il lavoro.
Così come il backup dei risultati delle supernovae con prove indipendenti che dimostrano che l’espansione sta accelerando, i dati BOSS danno alcuni indizi su come si comporta l’energia oscura. Ed il modello dell’accelerazione suggerisce che se l’energia oscura sta cambiando, non sta cambiando molto velocemente.
Per il momento, questa è una conclusione che sembra favorire una candidata per l’energia oscura nota come la costante cosmologica. Nel 1920, Einstein ha giocato con l’aggiunta di un termine costante alle sue equazioni della relatività generale – cioè l’equivalente di dare spazio vuoto alla propria energia. Secondo la relatività generale, questa costante cosmologica contrasterebbe davvero la forza di gravità ordinaria. Einstein originariamente aveva messo a punto il valore della costante per creare un modello bilanciato per un Universo statico (il famoso Universo stazionario) . Ma nel 1929, Edwin Hubble ha dimostrato che le galassie lontane si allontanano da noi, e gli astronomi si resero conto che l’Universo era in realtà in espansione. Einstein ha abbandonato la costante. Ora, però, con l’evidenza che l’espansione universale sta accelerando, la costante cosmologica è tornata in lizza.

La domanda è: perché il vuoto dello spazio dovrebbe essere pieno di energia? La teoria quantistica di campo pone una profusione di particelle virtuali che vengono brevemente in esistenza per poi scomparire, un’idea apparentemente scandalosa, ma è ciò che ha permesso ai teorici di fare previsioni estremamente accurate di come le particelle ordinarie interagiscono. Queste particelle virtuali potrebbero stare dietro la forza repulsiva dell’ energia oscura.
Ma è difficile impilare i numeri. L’energia del vuoto necessaria, per produrre l’accelerazione cosmica osservata, è di circa 1 joule per chilometro cubico di spazio; la versione più semplice della teoria di campo quantistica aggiunge l’energia di queste particelle virtuali che arriva ad un valore di circa 120 ordini di grandezza superiore a quella che è. Tale densa energia del vuoto, ridurrebbe rapidamente l’Universo a brandelli, e chiaramente ciò non è accaduto.
Forse agli scienziati manca qualcosa, come identificare particelle che potrebbero annullare l’energia fornita da particelle note. Ma, sebbene sia semplice escogitare una teoria che renda il valore a zero, è difficile annullare quasi-ma-non-esattamente un numero così enorme, lasciando il piccolo valore richiesto di energia del vuoto. “La costante cosmologica è una bestia strana”, dice Perlmutter. “Sembrerebbe rendere la teoria stranamente asimmetrica”.
Così, anche se la costante cosmologica rimane il front-runner, i teorici sono stati impegnati ad escogitare forme alternative di energia oscura. Alcuni hanno creato nuove teorie della gravità, simile alla relatività generale, ma generando repulsione su scale molto grandi. Altri postulano una sorta di fluido che riempie lo spazio, a volte chiamato quintessenza, che si comporta un po’ come la costante cosmologica, ma cambia lentamente in densità. Qualunque sia la risposta, l’energia oscura è la chiave per aprire una finestra su “una regione completamente inesplorata della fisica fondamentale”, afferma Mark Trodden, cosmologo teorico e direttore del Penn Center for Particle Cosmology Philadelphia, in Pennsylvania. Trovare la risposta cambierebbe non solo la visione della natura, ma anche predire il destino dell’Universo.

Fine prima parte

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