Alla ricerca del vuoto nello spazio

Alla ricerca del vuoto nello spazio

L'unità base in cui sono raggruppate le stelle e la materia interstellare è la galassia. La galassia è l' "atomo base" dell' Universo su grande scala. La nostra galassia è la Via Lattea, è una galassia spirale: è composta da oltre 100 miliardi di stelle; ha dimensioni dell'ordine di 100.000 anni luce e dista circa 2 milioni di anni luce dalla galassia più vicina, quella di Andromeda. Si tratta di dimensioni enormi che sfuggono alla nostra intuizione. Le due galassie non sono isolate, ma fanno parte di un gruppo locale di galassie e di un ammasso di galassie ancora più grande. Osservando più attentamente ci si accorge che le galassie si raggruppano in strutture quasi filiformi e distribuite su superfici lasciando al centro enormi spazi vuoti. Forse nei grandi vuoti cosmici, troviamo il miglior vuoto esistente nell' Universo macroscopico. Il numero di particelle materiali, quali elettroni, protoni eneutroni, dovrebbe essere estremamente basso, praticamente trascurabile,così come dovrebbe essere trascurabile il numero di particelle dei raggi cosmici.

Vista da lontano la nostra Via Lattea  dovrebbe apparire luminosa in maniera quasi continua. Ma in realtà, le distanze fra le stelle sono enormi; la stella a noi più vicina dista poco più di 4 anni luce. Quindi la maggior parte della galassia è vuota: per analogia la maggior parte dell'Universo è vuoto.

Secondo le moderne teorie corpuscolari, ampiamente verificate sperimentalmente, la materia è costituita di molecole, atomi, particelle, quindi il vuoto è uno spazio in cui nono vi sono particelle materiali, come quelle che costituiscono molecole e atomi. E cosa si può dire dei campi elettromagnetici? A prima vista potremmo dire che nel vuoto siano ammissibili campi ed onde elettromagnetiche, ma secondo la fisica moderna un'onda è anche un corpuscolo con una certa energia secondo la nota relazione do Planck E=hν . Quindi, dobbiamo estendere il nostro concetto di assenza di particelle anche ai fotoni: il nostro vuoto deve essere anche "un buio"  e va schermato da tutti i fenomeni elettromagnetici.

Sorge così subito un altro problema: ogni corpo a temperatura maggiore dello zero assoluto emette radiazioni elettromagnetiche, con frequenza via via inferiori al diminuire della temperatura. Per avere un vero vuoto macroscopico dobbiamo, perciò, circondarlo da "un freddo". Tutto lo spazio, però, è attraversato da una radiazione elettromagnetica, la radiazione cosmica di fondo, che corrisponde a quella che emetterebbe un corpo alla temperatura di 2,7°K. Possiamo quindi ritenere che la temperatura media dell'Universo sia bassissima, vicina alla zero assoluto. In definitiva il vuoto non dovrebbe contenere nessun tipo di particelle. Nello spazio cosmico "viaggiano" moltissimi neutrini, particelle molto leggere e veloci che, poiché non sentono l'effetto dell'interazione nucleare forte e della forza elettromagnetica, interagiscono appena con la materia ordinaria. Oggi sappiamo che esistono con certezza e dovrebbero essere circa 300 per cm3. E per questi non esiste alcuno schermo. Si comprende, quindi, come sia difficilissimo ottenere il vuoto completo.

In verità il dibattito sull'entità dello spazio vuoto interstellare è aperto da circa 50 anni. Era infatti il 1950 quando Vera Rubin presentò i suoi risultati all' American Astronomical Society nella sua tesi di laurea; la Rubin scoprì che la quantità di massa necessaria per spiegare il moto delle galassie era maggiore della massa totale di stelle all'interno di queste galassie. Semplicemente, le stelle non erano abbastanza numerose da spiegare le sue osservazioni e l'astronoma concluse che dovesse essere presente un qualche tipo di materia invisibile. Le sue conclusioni non furono prese seriamente, nonostante  le prove sperimentali che aveva raccolto. Il concetto di "materia oscura" fu già avanzato nel 1933 dall'astronomo Fritz Zwicky anche lui sostenendo che la velocità di rotazione degli ammassi di galassie richiedevano molta più massa di quella presente sotto forma di stelle. Da allora si discute di materia oscura per esprimere quanto non si conosca della spazio apparentemente vuoto.

Trovare oggi il vuoto assoluto nello spazio sarebbe un'impresa ardua, proprio perché tale scoperta andrebbe a contraddire tutti gli studi fatti nel campo della Meccanica Quantistica, che fa del vuoto il luogo di creazione e distruzione della materia.

Eppure paradossalmente proprio la conoscenza del vuoto microscopico portò allo studio dei corpi più massivi che si conoscono, esattamente il contrario del vuoto: i buchi neri, possibile fine del ciclo vitale di una stella.