L'energia oscura
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L'energia oscura

L'analisi delle Supernove di Tipo Ia nel 1998, valsa il Nobel a Adam Riess, Brian Schmidt e Saul Perlmutter nel 2011, ha dimostrato che il tasso di espansione attuale dell'universo non corrisponde ai tassi di evoluzione ipotizzati dai modelli cosmologici standard. L'universo sta accelerando e questa accelerazione è spiegabile solo introducendo una nuova forma di energia, una energia oscura la cui natura e la cui origine è ad oggi misteriosa.

Un universo in espansione accelerata

Nel 1998 un team di scienziati, premiati poi con il Nobel, rivela al mondo come l'universo non si stia espandendo secondo le previsioni ma stia, invece, accelerando. Una accelerazione che trova giustificazione soltanto in una energia "attuale".

Due delle scoperte più importanti della moderna Cosmologia, quella della Radiazione Cosmica di Fondo e quella del tasso di espansione dell'universo, dimostrano come ciò che vediamo del nostro universo sia ancora una parte del tutto limitata sia per estensione, con limiti dell'universo visibile rispetto all'universo intero, sia per tipologia di materia che possiamo osservare.

Le risultanti delle analisi fatte sulla radiazione e la misurazione della velocità di espansione dell'universo dimostrano, infatti, come per disegnare un modello di universo compatibile con la realtà osservata, e quindi per far quadrare il bilancio complessivo di materia ed energia di un universo che a tutti gli effetti risulta essere piatto ed in espansione accelerata, sia indispensabile aggiungere ancora materia ed energia con caratteristiche fisiche a tutt'oggi solo ipotizzabili. Sappiamo che la teoria cosmologica standard presuppone una espansione iniziata quasi 14 miliardi di anni fa a seguito del Big Bang  e oggi ancora in corso.

I primi modelli cosmologici sviluppati sulla base della Relativita ' di Einstein tracciano la possibile evoluzione del tessuto dello spazio-tempo in relazione alla quantità di materia in esso presente e alla sua distribuzione. La forma dell'universo, ossia il suo raggio di curvatura, è quindi strettamente dipendente dalla quantità di  materia che lo compone. La densità di materia limite che il nostro Universo è in grado di contenere prima di ripiegarsi su sé stesso ad opera della sua stessa forza di gravità viene definita massa critica ed è proprio il rapporto che esiste tra la densità di massa reale ed il valore della densità critica (definito k) che determina la geometria e il destino dell'universo, come visto. Sappiamo quindi che per k pari a 1 o quasi, l'universo risulta piatto, assoggettato alle regole della geometria euclidea e rappresentabile come un piano nelle tre dimensioni. Il suo destino è quello di espandersi per sempre ma con un tasso di espansione via via decrescente, sulla spinta della prima espansione che via via va scemando.

Analizzando la Radiazione Cosmica di Fondo i valori che si osservano dimostrano (tramite complesse misurazioni delle increspature presenti nella radiazione generate dalle fluttuazioni di temperatura ) che l'universo è talmente spazialmente piatto da richiedere l'introduzione di una inflazione . Questa condizione osservata presuppone quindi che il valore della densità di massa critica sia prossimo al valore della densità di massa reale. Le stesse misurazioni ci dicono anche il contributo dato dalla quantità di materia visibile non è sufficiente a spiegare l'attuale raggio di curvatura dell'universo.

Supernova Ia, rappresentazione
Supernova Ia, rappresentazione

Il 1998 ci regala una sorpresa. L'analisi delle Supernove di Tipo Ia ha dimostrato, infatti, come il tasso di espansione attuale dell'universo non corrisponda ai tassi ipotizzati dai modelli cosmologici standard. L'universo sta accelerando e questa accelerazione è spiegabile solo introducendo  una nuova forma di energia. Le supernovae Ia possiedono la caratteristica essenziale di essere delle candele standard: si tratta di sistemi binari contenenti una nana bianca che acquisisce materia fino a superare il proprio limite strutturale, definito Limite di Chandrasekhar, pari a 1.44 masse solari. Raggiunta questa massa, la nana bianca esplode con una luminosità sempre uguale e nota, una luminosità che quindi consente di ottenerne la distanza dal confronto tra magnitudine apparente e magnitudine assoluta. Anche lo spettro, tuttavia, denota un redshift indice di distanza e il confronto tra redshift e magnitudine apparente ha indicato come supernovae che avrebbero dovuto essere più vicine siano in realtà più lontane di quanto l'espansione dell'universo ipotizzata portasse a pensare. L'universo, quindi, si sta espandendo a una velocità via via superiore man mano che passa il tempo: sta accelerando, appunto.

Adam Riess, Saul Perlmutter e Brian Schmidt, premi Nobel nel 2011
Adam Riess, Saul Perlmutter e Brian Schmidt, premi Nobel nel 2011

Per accelerare non basta la spinta ricevuta all'inizio: deve esistere una spinta che viene data anche oggi, ai nostri giorni. Una energia della quale non conoscevamo l'esistenza e della quale oggi non conosciamo la natura.

Ultimo aggiornamento del: 01/05/2019 19:22:49

Il bisogno di una energia misteriosa

Le misurazioni dell'espansione dell'universo ci dicono che il 70% circa di quanto presente nello stesso deve avere la forma di una "forza repulsiva" sconosciuta, tanto misteriosa quanto forte da accelerarlo. Il significato della costante cosmologica

Il 75% del nostro universo è permeato da una forma di stress-energia con pressione negativa distribuita in modo omogeneo, una forza invisibile che, opponendosi alla gravità, funge da acceleratore per l'espansione dell'Universo.

Per far quadrare il bilancio della densità di energia totale e spiegare l'accelerazione dell'espansione è necessario inserire questa misteriosa energia, battezzata energia oscura, strana nel Modello Cosmologico Standard. E' quindi necessario calibrare il parametro k che definisce la geometria dell'universo in modo da renderlo dipendente non solo dalla materia ma dalla somma di materia ed energia. Se la geometria dell'universo dipende dall'intero k il suo destino dipende quasi esclusivamente dall'energia strana che, potenzialmente, potrebbe avere un valore così grande da spingere l'universo ad espandersi per sempre indipendentemente dalla quantità di materia in esso presente. Dal 1998 ad oggi uno degli scopi fondamentali dei cosmologi è stato quello di definire forma e valore di questa energia oscura.

La costante cosmologica per l'energia oscura

La prima ad essere chiamata in causa è, naturalmente, la costante cosmologica Λ. La costante cosmologica è una densità di energia statica che si comporta come un fluido perfetto, riempiendo omogeneamene lo spazio, e questo la rende un buon candidato al ruolo di energia oscura. Possiamo considerarla fisicamente equivalente all'energia del vuoto: secondo la meccanica quantistica il "vuoto" non è realmente vuoto ma è riempito da una quantità enorme di energia generata da coppie di particelle ed antiparticelle che nascono e si annichilano a vicenda scambiando, appunto, energia.  Sono particelle virtuali, come quelle che trasportano la forza. Non è possibile osservarle direttamente ma è possibile verificare i loro effetti indiretti. L’energia associata alle particelle virtuali risulta però essere di diversi ordini di grandezza maggiore rispetto al valore di energia necessario per spiegare l'attuale tasso di espansione. 

Le costanti sono dei valori che consentono l'approssimazione al fine di facilitare lo svolgimento di calcoli complessi; in fisica le costanti hanno un valore fisso indipendente dal momento e dal luogo in cui vengono misurate e questo non risolve il problema della coincidenza cosmica, ossia non spiega perchè la densità di energia del vuoto sembri aver iniziato a dominare rispetto alla densità di materia pressapoco nell'epoca attuale.

La quintessenza

La quintessenza, altra candidata al ruolo di energia oscura, risolverebbe questa necessità di una energia oscura dinamica e consoliderebbe nello stesso tempo la teoria dell'inflazione Paul Steinhard ha definito "quintessenza" questo campo dinamico di energia variabile, assimilandola ad una ulteriore forza che si va ad aggiungere alle quattro fondamentali presenti in natura ed i cui effetti variabili nel tempo sono attrattivi o repulsivi in base al rapporto che esiste tra energia cinetica ed energia potenziale dell'universo.

Secondo la Relativita ' Generale, se l'universo è pieno di materia ordinaria l'espansione dovrebbe via via rallentare a causa della gravità. Dal momento che l'espansione sta accelerando siamo di fronte a due possibilità, ognuna con delle profonde implicazioni per la nostra comprensione delle leggi fondamentali della fisica: 

  1. l'universo è riempito da un nuovo tipo di stress-energia con proprietà sconosciute 
  2. la Relatività Generale non è più applicabile su scala cosmologica e dovrà essere sostituita da una nuova e più completa teoria.

Per avere, forse, le prime risposte sarà necessario aspettare i risultati della missione EUCLID prevista per il 2020 che sfrutterà il weak gravitational lensing, ossia la distorsione apparente delle immagini delle galassie dovuta alla non omegeneità della massa lungo la linea di osservazione e le oscillazioni acustiche della materia barionica per comprendere la natura dell'energia oscura e della sua eventuale evoluzione cosmica.

Come tutto quel che non si vede, la teoria dell'energia oscura continua a essere sottoposta a analisi e contraddizioni. Un articolo di Settembre 2017 pubblicato su Monthly Notices of the Astronomical Royal Society a cura della Università di Canterbury sostiene un modello universale uguale a quello osservato privo della necessità di ricorrere all'energia oscura. In tal caso l'espansione accelerata dell'universo non appare più reale, ma soltanto una percezione, un effetto apparente. I modelli finora accettati si basano su una legge di espansione cosmica di un secolo fa, quella di Friedmann, la quale assume una espansione identica a quella di una sorta di minestra priva di caratteristiche, priva di una struttura complicata. Questo, ovviamente, non rappresenta la complicazione che invece presenta la rete cosmica reale. Il nuovo modello non confronta il modello standard Lambda Cold Dark Matter con un universo vuoto ma con un modello chiamato cosmologia temporale privo di energia oscura. In questo modello, gli orologi degli osservatori disposti nelle galassie differiscono dall'orologio che descrive al meglio l'espansione media dell'universo. Dipende tutto dall'orologio usato, quindi. In queste condizioni, il modello sembra essere una approssimazione al reale migliore rispetto al modello cosmologico standard ma l'evidenza empirica non è ancora così forte da poter consentire una valutazione favorevole. Ci si muove su qualcosa di molto teorico ma stando a un altro lavoro pubblicato su Nature Astronomy a Settembre 2018, tuttavia, attraverso modelli basati su simulazioni numeriche e confronto con i dati osservativi della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qualsiasi modello che prenda in considerazione Leggi di Gravità differenti dalla Relatività Generale, anche relativamente a variazioni minime, darebbero vita a universi totalmente differenti da quello che ci si presenta davanti: galassie decisamente più ammassate e un universo che di accelerato viene ad avere decisamente poco. Si tratta di una lancia in più a favore del Modello Cosmologico Standard e dell'energia che rende accelerata l'espansione dell'universo. La Relavità, quindi, sembra mantenere il proprio valore anche nel caso di applicazione a larga scala (Nature Astronomy, 2018 - "No evidence for modifications of gravity from galaxy motions on cosmological scales"). 

Ultimo aggiornamento del: 01/05/2019 19:08:50