L’energia oscura dell’universo: una panoramica
di Paolo Di Sia
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L’energia oscura è un’ipotetica forma di energia diffusa in modo omogeneo nello spazio. È stato stimato nel 2013 che rappresenti circa il 68,3% della distribuzione di massa-energia dell’universo, e circa il 95,1% comprendendo anche la materia oscura. L’energia oscura risulta essere ad oggi la possibilità più considerata in cosmologia per spiegare l’espansione accelerata dell’universo (Figura 1).
Figura 1. Percentuale di energia oscura, materia oscura e materia ordinaria nell’universo [1].
La strada per la comprensione dell’energia oscura inizia da una domanda fondamentale: è stata sempre la stessa durante la storia dell’universo? Supera infatti in esistenza qualunque altra forma di massa-energia, governa il destino dell’universo e non è spiegabile mediante la fisica conosciuta.
Nonostante siano state studiate molte teorie in merito, ad oggi non sappiamo molto sull’energia oscura, ma gli astrofisici e gli astronomi stanno lavorando tenacemente su una grande quantità di verifiche sperimentali con sofisticatissimi strumenti di misura. Telescopi e rivelatori radio sondano sempre più profondamente l’universo nella speranza di trovare un’impronta di energia oscura.
Una violenta esplosione stellare potrebbe fornire conoscenze sulla sua influenza nell’universo primordiale e una nuova branca dell’astronomia potrebbe avere un ruolo determinante da svolgere, come è accaduto recentemente per le onde gravitazionali. A differenza della ricerca della materia oscura, la ricerca di energia oscura è un campo abbastanza recente. Gli scienziati hanno scoperto nel 1920 che l’universo è in espansione, ma si era ipotizzato che l’espansione fosse in una fase di rallentamento; nel 1998 è stato invece riscontrato il contrario. Ricercando esplosioni stellari di un particolare tipo, le supernovae Ia (Figura 2), la cui luminosità intrinseca è fissata dalla velocità della loro dissolvenza luminosa, contando in quanto tempo queste supernovae svaniscono, si può ricavare quanta luce l’esplosione ha emesso; misurando poi la sua luminosità apparente, si può calcolare la distanza della supernova e per quanto tempo la luce ha viaggiato. Questo tipo di “sonda cosmologica” si chiama candela standard. Una candela standard è un oggetto astronomico che ha una luminosità conosciuta. La conoscenza della luminosità di un oggetto è spesso fondamentale per poter ricavare le distanze degli oggetti nell’astronomia extragalattica e in generale in cosmologia. Si confronta questa luminosità conosciuta con la luminosità osservata e attraverso formule matematiche che legano le varie variabili tra loro si può calcolare la distanza dell’oggetto.
Figura 2. Immagine del resto della Supernova 1572 di tipo Ia, osservata nel 1572 da Tycho Brahe [2].
Gli astronomi misurano anche lo spostamento verso il rosso di ogni supernova. Lo spostamento verso il rosso (in inglese “redshift”) è il fenomeno per cui la frequenza della luce, osservata in certe circostanze, risulta più bassa della frequenza che aveva quando è stata emessa. Ciò accade di norma quando la sorgente di luce si muove allontanandosi dall’osservatore, o quando l’osservatore si allontana dalla sorgente. La combinazione di queste osservazioni permette agli astronomi di determinare l’espansione dell’universo nel corso del tempo; così è stato scoperto che la velocità di espansione dell’universo non sta rallentando, ma accelerando. Gli scienziati hanno concluso che qualcosa doveva interferire con l’effetto globale dell’attrazione di gravità nell’universo. Questo effetto è oggi noto come “energia oscura”, ed è avvolto nel mistero; ciò che sappiamo è che ha la proprietà di spingere verso l’esterno, a differenza della gravità, ed è una forza cosmica dominante. Gli studiosi vogliono scoprire se questo fenomeno enigmatico cambia nel tempo; hanno pertanto iniziato a guardare ancora più nei dettagli il modo in cui l’universo si è espanso, raffinando l’uso di candele standard ed utilizzando nuovi strumenti cosmologici.
Uno degli strumenti più efficaci è basato su onde sonore cosmiche. Poco dopo il Big Bang, l’universo è stato riempito con una miscela “elastica” di ioni, elettroni e radiazione. Piccole anomalie di densità, create da fluttuazioni quantistiche nei primi 10^(-32) secondi di vita dell’universo, hanno permesso l’invio di onde sonore verso l’esterno. Dopo circa 400.000 anni il raffreddamento dell’universo ha permesso agli ioni di catturare elettroni liberi, creando atomi neutri “trasparenti alla radiazione” e rendendo la miscela non più “elastica”. Poiché il suono ha bisogno di un mezzo elastico per viaggiare, le onde sonore primordiali sono state interrotte, dando una particolare forma alla struttura a larga scala dell’universo. Invece di essere posizionate completamente a caso, le galassie hanno così una leggera tendenza ad essere distanziate ad intervalli regolari; la distanza caratteristica è in crescita. Proprio come le supernovae vengono utilizzate come candele standard, si può misurare la dimensione apparente di queste oscillazioni acustiche barioniche (“baryon acoustic oscillations” (BAOs)) attraverso la posizione di un numero sufficiente di galassie. Esse sono sono fluttuazioni periodiche regolari nella densità della materia barionica visibile, ossia la normale materia dell’universo. Misurando il redshift di queste galassie è possibile ricavare come l’espansione dello spazio si è comportata nel corso della storia cosmica. La migliore vista di BAOs è stata rivelata in luglio di quest’anno da una tecnica di indagine del cielo (“Sloan Digital Sky Survey”) chiamata “Baryon Oscillation Spectroscopic Survey” (BOSS).
I dati del programma BOSS danno indizi su come si comporta l’energia oscura, suggerendo che se sta cambiando, il cambiamento non è veloce. Questa conclusione sembra favorire un candidato per l’energia oscura conosciuto come costante cosmologica. Nel 1920 Einstein aveva aggiunto un termine alle sue equazioni della relatività generale, che teneva conto dell’energia dello spazio vuoto; la costante tende ad opporsi alla forza di gravità ordinaria. Originariamente Einstein aveva sintonizzato il valore della costante per creare un equilibrio, un modello di universo statico, ma nel 1929 Edwin Hubble ha dimostrato che le galassie lontane si allontanano da noi, e gli astronomi hanno verificato che l’universo è in realtà in espansione. La costante venne allora abbandonata; adesso però, con l’evidenza che l’espansione dell’universo sta aumentando, la costante cosmologica è stata riconsiderata.
Il mistero dell’energia oscura
Una delle domande fondamentali riguarda il perché lo spazio vuoto dovrebbe avere associata un’energia. La teoria quantistica dei campi predice una presenza di particelle virtuali che vengono brevissimamente in esistenza e poi scompaiono e ciò ha permesso ai teorici quantistici di fare previsioni estremamente accurate su come le particelle ordinarie interagiscono. Queste particelle virtuali potrebbero essere correlate alla forza repulsiva dell’energia oscura. 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 quantistica di campo fornisce invece un valore superiore di circa 120 ordini di grandezza rispetto a quella osservata ad oggi. Ci sono quindi ancori molti problemi aperti. Potrebbero ad esempio esistere particelle non ancora identificate che agiscono nella direzione delle osservazioni astronomiche. I teorici hanno anche escogitato forme alternative di energia oscura. Sono state create nuove teorie della gravità, simili alla relatività generale einsteiniana, ma che generano una repulsione su scale molto grandi. Altri hanno postulato una sorta di fluido che riempie lo spazio, chiamato quintessenza, che si comporta un po’ come la costante cosmologica, ma cambia lentamente in densità.
Qualunque sia la risposta alla domanda iniziale, rimane il fatto che l’energia oscura è la chiave per aprire una finestra su una regione quasi completamente inesplorata di fisica fondamentale. Trovare la risposta può non solo cambiare la nostra visione della realtà, ma anche predire il destino ultimo dell’universo.
Progetti per rilevare l’energia oscura
Un grande numero di progetti sono in preparazione e sono in atto per guardare il più profondamente possibile nel mistero oscuro dell’universo.
a) Il “Dark Energy Survey” (DES) è già partito; utilizza il telescopio “Victor M. Blanco” in Cile per la scansione di una fascia del cielo meridionale, osservando le supernovae e catalogando più di 200 milioni di galassie.
b) All’inizio del 2017 un progetto ancora più grande, il “Javalambre Physics of the Accelerating Universe Astrophysical Survey” (J-PAS) nei pressi di Teruel in Spagna, dovrebbe iniziare a disegnare la mappa tridimensionale dell’universo per rivelare le BAOs. Coprirà gran parte del cielo settentrionale e analizzerà fino a 500 milioni di galassie grazie ad uno strumento innovativo che utilizza 56 filtri di colore per rivelare lo spostamento verso il rosso.
c) In Canada occidentale uno strumento molto diverso sta prendendo forma, il “Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment” (CHIME), nei pressi di Penticton in British Columbia. Si tratta di un radiotelescopio inusuale per raccogliere le onde radio su una linea nord-sud e costruire un quadro del cielo. CHIME è calibrato per raccogliere le onde emesse da particolari gas cosmici che portano l’impronta di antiche oscillazioni acustiche. Si potrebbero anche rivelare le BAOs meglio della ricerca con le galassie, perché le galassie sono il risultato di processi abbastanza complessi del gas cosmico.
Questi nuovi dispositivi andranno anche a misurare gli effetti di lente gravitazionale (una massa posta tra la sorgente e l’osservatore provoca una modifica alla curvatura dello spazio-tempo, generando un effetto simile a quello ottico di una lente) e catalogare gli ammassi di galassie. Essi sono infatti tenuti assieme dalla forza di gravità, quindi la loro crescita potrebbe rivelare se la forza di gravità inizia a cambiare a larga scala.
d) A partire dal 2023 il “Large Synoptic Survey Telescope” (LSST) in Cile promette di trovare un gran numero di supernove e individuare miliardi di galassie per rintracciare le BAOs, la crescita de gli ammassi di galassie ed gli effetti lente.
e) La missione dell’agenzia spaziale europea “Euclid”, prevista per il lancio nel 2020, farà anche uso della lente gravitazionale e sarà meglio in grado di individuare l’orientamento delle galassie. Sarà anche equipaggiata per raccogliere la luce del vicino infrarosso che viene bloccata dall’atmosfera.
f) La NASA prevede di lanciare intorno al 2020 un futuro osservatorio spaziale a infrarossi, il “Wide Field Infrared Survey Telescope” (WFIRST). WFIRST trasporterà uno specchio da 2,4 metri, un pezzo di ottica donato dal “US National Reconnaissance Office”, che gestisce i satelliti di intelligence del paese.
g) Alcuni studiosi sono alla ricerca di sonde del cosmo più stravaganti. I “Gamma-ray bursts” (GRBs) sono lampi di radiazione ad alta energia del lontano universo. Molti hanno pensato che si generino quando il nucleo di una stella molto massiva collassa per formare un buco nero o una stella di neutroni. L’idea è di utilizzare i GRBs come nuovo tipo di candele standard. Si pensa che sarà un compito difficile, perché queste esplosioni sono diversificate e dissolvono in modo non regolare. Occorre cautela sull’utilizzo dei GRB per la cosmologia di precisione; i ricercatori non sanno ancora cosa succede al loro interno quando il nucleo della stella collassa. L’emissione energetica potrebbe essere generata da una stella di neutroni in rapida rotazione o da materiale cadente in un buco nero. Se comunque l’energia oscura sta cambiando la sua natura, poter vedere nel lontano universo può essere determinante.
Il presente e il futuro
Forse un nuovo tipo di astronomia potrebbe essere necessario per risolvere l’enigma oscuro. Nel 2016 il “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory” (LIGO) ha annunciato il rilevamento delle distorsioni dello spazio-tempo note come onde gravitazionali, predette da Einstein un secolo fa. Le onde gravitazionali possono essere utili per misurare distanze; la forma delle onde rivela la massa dei buchi neri e l’energia totale emessa. Tuttavia tracciare la storia di espansione dell’universo richiederebbe anche altre informazioni, trovare il redshift; si tratta pertanto di un compito ancora più complesso. Se tutti questi molteplici strumenti non trovano cambiamenti nel comportamento dell’energia oscura, i ricercatori dovranno “riabbracciare” la costante cosmologica. Nel caso di perfezionamenti delle teorie attuali, nuove classi di particelle che frenerebbero l’espansione potrebbero essere rilevate dal “Large Hadron Collider” del CERN, il laboratorio di fisica delle particelle europeo. La maggior parte della sostanza del nostro universo è una cosa in evoluzione che potrebbe essere ancora più strana dell’energia del vuoto. Se la sorgente di accelerazione fosse o un nuovo campo di energia o una modifica della gravità, le conseguenze sarebbero profonde al punto da portare ad un grande ripensamento su come la gravità e la fisica delle particelle interagiscono. Il destino dell’universo sembra in gran parte dipendere dalla natura dell’energia oscura. Se l’energia oscura è una costante cosmologica, l’accelerazione continuerà; se si tratta di un altro campo di energia come la “quintessenza”, ci sono altre possibilità per il nostro universo.
Conclusioni
A conclusione di questa panoramica sull’energia oscura e in riferimento all’intervento apparso su fisicaquantistica.it [3] relativo alla materia oscura, possiamo riassumere nelle seguenti domande le problematiche attuali sulla materia-energia oscura dell’universo:
1) Esiste una particella di materia oscura? Le particelle di materia oscura subatomiche, analoghe alle particelle che compongono l’universo visibile, si adatterebbero bene ai modelli fisici attuali; ma la scoperta che la materia oscura sia qualcosa d’altro amplierebbe la comprensione degli scienziati sull’universo. Le particelle massive debolmente interagenti (WIMPs) sono i principali candidati. Altre possibilità includono una particella potenzialmente molto leggera chiamato assione e una particella più recentemente proposta, il planckione, particella massiva fortemente interagente. La ricerca di queste particelle è in corso. I fisici del Large Hadron Collider del CERN sono alla ricerca delle WIMPs, l’”Axion Dark Matter Experiment” è in funzione presso l’università di Washington, Seattle, e la Cina ha lanciato il “Dark Matter Particle Explorer”.
2) La materia oscura interagisce con qualcosa? Mentre stanno continuando le osservazioni astronomiche, nelle miniere sotto l’Ontario in Canada un esperimento sta utilizzando rivelatori riempiti con particolari liquidi surriscaldati per cercare segni di materia oscura che interagiscono con la materia ordinaria. Per capire la materia oscura i ricercatori hanno bisogno di scoprire come influisce sull’universo intorno ad essa; finora però l’unico effetto noto risulta essere l’attrazione gravitazionale. Questa scarsità di informazioni rende difficile sapere se la materia oscura è una particella, un campo o una realtà diversa.
3) La costante cosmologica spiega l’energia oscura? La spiegazione più semplice dell’energia oscura è che ci sia una piccola forza che agisce in opposizione alla forza di gravità, storicamente nota come “costante cosmologica”. Il problema sta nella spiegazione teorica di come questa forza sia abbastanza piccola da essere in accordo con le osservazioni. Le teorie attuali dicono che è maggiore di 10^120 rispetto a quella riscontrata sperimentalmente, una differenza enorme. La “quintessenza” rappresenta un’altra possibilità, ossia un campo che pervade l’universo e provoca l’accelerazione. Il “Dark Energy Survey” in Cile è al terzo anno di una missione di cinque anni per scoprire se l’espansione dell’universo è cambiata nel corso del tempo. Un cambiamento sosterrebbe la quintessenza, mentre un tasso costante di espansione sarebbe una prova per la costante cosmologica.
4) Cosa alla fine accadrà all’universo? La spiegazione dell’energia oscura potrebbe darci importanti informazioni circa il destino ultimo del cosmo. Se c’è una costante cosmologica, le galassie potrebbero finire per essere diffuse in modo così distante che la maggior parte di esse risulterà invisibile alle altre. Se c’è un campo di quintessenza, l’espansione potrebbe accelerare fino a lacerare le stelle e gli atomi in un “grande strappo”. La missione “Euclid” dell’agenzia spaziale europea e il “Wide Field Infrared Survey Telescope” della NASA, attraverso l’esame delle strutture cosmologiche, dovrebbero offrirci dati importanti per imparare come l’universo si è evoluto e potrebbero scoprire la natura dell’energia oscura.
Articolo di Paolo Di Sia
Elementi bibliografici
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DMPie_2013.svg
- https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6706920
- https://www.fisicaquantistica.it/pubblicazioni/la-materia-oscura-dell-universo
Paolo Di Sia
Paolo Di Sia è attualmente professore aggiunto presso l’università degli studi di Padova e l’università degli studi di Bolzano. Ha conseguito una laurea (bachelor) in metafisica, una laurea (master) in fisica teorica, un dottorato di ricerca in fisica teorica applicata alle nano-bio-tecnologie e un dottorato di ricerca in matematica “honoris causa”. Si interessa del rapporto tra filosofia e scienza, di fisica alla scala di Planck, di nanofisica classica e quantistico-relativistica, di nano-neuroscienza, di fisica transdisciplinare e di divulgazione scientifica. È autore di 276 lavori distribuiti tra riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, interventi accademici su web scientifici, pubblicazioni accademiche interne, lavori in stampa. È reviewer di vari international journals, membro di molte società scientifiche internazionali e international advisory/editorial boards, gli sono stati attribuiti vari riconoscimenti internazionali.
Paolo Di Sia
Università di Padova (Italy) & Libera Università di Bolzano (Italy)
E-mail: paolo.disia@libero.it
Webpage: www.paolodisia.com
Salve,
prima di dare per scontata l’esistenza di materia oscura ed energia oscura si potrebbero analizzare gli ultimi dati provenienti da Hubble e Webb, che mostrano come con mezzi più potenti sia possibile “vedere” molta più materia di quella rivelata in precedenza. La bassa quantità di materia ordinaria finora osservata potrebbe essere quindi, banalmente, dovuta al fatto che finora non abbiamo avuto strumenti sufficientemente potenti per osservarla (ipotesi, mi sembra, abbastanza ragionevole in considerazione del fatto che ci spingiamo ad osservare regioni di spazio distanti decine e centinaia di anni-luce e che usiamo strumenti concepiti e realizzati ancora nel secolo scorso).
Sarebbe utile una revisione critica delle nozioni attualmente accettate (ma non supportate da alcun dato sperimentale verificato) su materia ed energia oscura, che potrebbero benissimo essere così sfuggenti all’osservazione perchè, semplicemente, non esistono: sono solo materia ordinaria che non siamo ancora in grado di vedere.