L’Universo Oscuro (prima parte)

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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 dello spazio che interagisce con l’Universo, accelerando la sua espansione. 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 per studiare il problema. Telescopi e rivelatori radio tracciano sempre di più l’universo nella speranza di trovare un’ impronta digitale dell’energia oscura.

Le 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 della 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 che invece sta succedendo 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 e quelle più brillanti sono quelle che bruciano più brevemente.

Quindi, contando in quanti giorni una supernova di tipo Ia svanisce, si può capire quanta sia la luce emessa dall’esplosione; poi, misurando la sua luminosità apparente verso la Terra, è possibile calcolare la distanza della supernova e sapere per quanto tempo 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 la quantità di allungamento della lunghezza d’onda della luce da quando è stata emessa, ciò rivela la quantità di espansione dello spazio spazio. Combinando queste osservazioni gli astronomi hanno potuto determinare la velocità dell’espansione dell’universo nel tempo, portando entrambi i team a concludere 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 emesso dalla nostra galassia è stato sottratto utilizzando i dati multi-frequenza. Questa immagine mostra una gamma di temperature di ± 200 microkelvin.
Credit: NASA / WMAP Science Team

Quel qualcosa, oggi è noto come energia oscura ma non se ne sa molto di più, cosa effettivamente sia e come agisca resta un mistero. Tutto quello che sappiamo è che ha la proprietà peculiare di spingere verso l’esterno, a differenza della gravità, che in precedenza era ritenuta 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 continuando ad utilizzare le supernove come candele standard, altri cercando di mettere a punto nuovi strumenti per la ricerca cosmologica.

Finora, lo strumento più efficace è basato sulle onde sonore cosmiche. Poco dopo il Big Bang, l’Universo era composto da 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), che inviavano onde sonore increspate verso l’esterno.

Dopo circa 400.000 anni, l’Universo si era raffreddato abbastanza da 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 arrestarono, imprimendo un disegno indelebile sulla struttura a grande scala dell’Universo.

Questo significa che, invece di essere posizionate completamente a caso, le galassie hanno una leggera tendenza ad essere distanziate a intervalli regolari. La distanza tipica cresce con l’espansione dell’universo, ed oggi è circa di 500 milioni di anni luce (153 megaparsec).

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 quanto queste particolari BAO siano lontane. Misurando lo spostamento verso il rosso (redshift) di queste galassie e tracciando le distanze reciproche, è possibile rivelare come l’espansione dello spazio si sia comportata dall’inizio dell’esistenza dell’universo.

La migliore vista delle BAO è stata rivelata nel luglio 2016 da un programma dello Sloan Digital Sky Survey chiamato 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, 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 indicare una candidata per l’energia oscura nota come la costante cosmologica. Nel 1920, Einstein decise di aggiungere una costante alle sue equazioni della relatività generale. 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 dimostrò che le galassie più lontane si allontanano da noi più velocemente, permettendo agli astronomi di rendersi conto che l’Universo è in realtà in espansione. Einstein abbandonò la costante. Ora, però, con l’evidenza che l’espansione universale sta accelerando, la costante cosmologica è tornata in auge.

La domanda è: perché il vuoto dello spazio dovrebbe essere pieno di energia? La teoria quantistica del campo pone una profusione di particelle virtuali che appaiono brevemente nell’esistenza per poi scomparire repentinamente, 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 essere le responsabili della forza repulsiva dell’ energia oscura.

Ma è difficile mettere insieme 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, simili 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 suuna regione completamente inesplorata della fisica fondamentale“, afferma Mark Trodden, cosmologo teorico e direttore del Penn Center for Particle Cosmology di Philadelphia, in Pennsylvania.

Trovare la risposta cambierebbe non solo la visione della natura, ma ci permetterebbe anche di predire il destino dell’Universo e, forse, anche di capire qualche altra cosa riguardo alla gravità, ad esempio il perché la gravità è una forza così debole.

Fine prima parte

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