L' energia oscura

Agli inizi degli anni '50 le grandi discussioni sull'espansione dell'universo sembravano essersi concluse con la unanime accettazione delle teorie di Hubble. Einstein aveva dovuto cedere all'universo in espansione, "ripudiando" la costante cosmologica. Non poteva sapere che questa costante avrebbe avuto un destino più lungo di quello da lui prospettato. Essa è oggi oggetto di importanti discussioni dal momento che sembra implicata nel mistero dell' accellerazione dell'espansione dell'universo. Negli anni novanta ci si rese conto che c'erano delle forti anomalie nella velocità di espansione dell'universo. La luminosità di alcune particolari supernovae appariva più bassa rispetto a quella prevista, e quindi apparivano incredibilmente più lontane. Questo procurò un forte sconcerto. L'universo aveva subito un'accellerata? L'accelerazione dell'universo venne confermata negli anni 199o. Per spiegare questo fenomeno, si ipotizzò che esistesse una forza anti-gravitazionale, che permeasse tutto l'universo. L'annuncio che i dati confermavano un'accelerazione dell'espansione venne dato da Saul Perlmutter del Berkeley Lab l'8 gennaio 199o. Ma cosa poteva produrre un tale effetto? Una delle possibili risposte venne ritrovata nella costante cosmologica. Questa, infatti, era stata introdotta per giustificare la staticità dell'universo, ma mentre ora veniva reintrodotta per giustificare l'accelerazione dell'espansione dell'universo.

La costante cosmologica ha una pressione negativa equivalente alla densità della sua energia e per questo motivo fa sì che l'espansione dell'universo acceleri. Tale densità di energia rimarrà sempre costante perché nonostante l'energia all'aumentare del volume aumenti anch'essa, esisterà sempre una pressione negativa a compensare il suo comportamento rispetto alla densità. (La ragione per cui la costante ha tale valore di pressione può essere trovata nella termodinamica classica)

La costante cosmologica avrà quindi valore positivo entrando a pieno titolo nelle equazioni di campo con la lettera lambda.

RR + gk T

L'energia che si è venuta a creare non è altro che l'energia oscura. L'esatta natura di quest'ultima è  ancora oggetto di ricerca. È conosciuta per essere omogenea, non molto densa e per non interagire fortemente attraverso alcuna delle forze fondamentali, tranne la gravità. Dal momento che non è molto densa, circa 10⁻²⁹ grammi per centimetro cubo, è difficile immaginare esperimenti per trovarla in laboratorio.

Questa teoria suggerisce che la densità dei barioni e della materia oscura fredda nell'universo sia circa il 30% della densità critica per la chiusura dell'universo. Questa è la densità necessaria per rendere la curvatura dell'universo nulla. Le misurazioni della radiazione cosmica di fondo, recentemente effettuate dal satellite WMAP, indicano che l'universo è molto vicino ad una curavatura nulla. Quindi, sappiamo che alcune forme di energia devono costituire il restante 70%.

L'energia oscura può solo avere un impatto sull'universo, tale da costituire il 70% di tutte le energie, poiché riempie uniformemente tutti gli spazi vuoti.

La materia oscura

Abbiamo visto come i modelli cosmologici attuali necessitano dell'introduzione di questa nuova energia, ma anche della materia ad essa corrispondente.  La storia ebbe inizio nel , quando l'astronomo Fritz Zwicky stava studiando il moto di ammassi di galassie lontani e di grande massa, nella fattispecie l'ammasso della Chioma e quello della Vergine. Zwicky stimò la massa di ogni galassia dell'ammasso basandosi sulla sua luminosità, e sommò tutte le masse galattiche per ottenere la massa totale dell'ammasso. Ottenne poi una seconda stima indipendente della massa totale, basata sulla misura della dispersione delle velocità individuali delle galassie nell'ammasso. Con sua grande sorpresa, questa seconda stima di massa dinamica era 400 volte più grande della stima basata sulla luce delle galassie.

Sebbene l'evidenza sperimentale fosse già forte ai tempi di Zwicky, fu solo negli anni Settanta che gli scienziati iniziarono ad esplorare questa discrepanza in modo sistematico. Fu in quel periodo che l'esistenza della materia oscura iniziò ad essere presa sul serio. L'esistenza di tale materia non avrebbe solo risolto la mancanza di massa negli ammassi di galassie, ma avrebbe avuto conseguenze di ben più larga portata sulla nostra capacità di predire l'evoluzione e il destino dell'Universo stesso.

Che cos'è la materia oscura?

Sulla natura della materia oscura è ancora in corso un forte dibattito. Secondo alcuni la materia mancante sarebbe fatta dalle cosiddette "nane nere". Stelle che non hanno raggiunto le temperature necessarie alla fusione dell'idrogeno col deuterio. Questi oggetti non emettono luce e quindi possono essere individuati solo attraverso l'affetto lente gravitazionale. Vengono comunemente chiamati MACHOs. Secondo altri la materia oscura non sarebbe altro che l'insieme di più buchi neri che ne creerebbero uno supermassiccio. L'ultima e più accreditata ipotesi è che la materia oscura sia un nuovo tipo di materia. Questa teoria è in particolare portata avanti dai fisici delle particelle che stanno tentando di ricrearla nel supercollisori. Secondo loro la materia oscura si sarebbe creata contemporaneamente a quella tradizionale nei primi momenti di vita dell'universo. Questa è stata identificata con la sigla WIMP (weakly massive interacting particles), ovvero particelle con massa poco interagente. Una delle proprietà che si ha riscontrato sulla materia oscura è la sua capacità di non interagire con le altre masse. E' proprio questa sua peculiarità che ha permesso di determinarne definitamene l'esistenza.

Dove si trova la materia oscura?

L'ESA ha recentemente pubblicato  la prima mappatura 3d della distribuzione della materia oscura nello spazio.

Analizzando i rilievi di COSMOS (una delle più importanti fonti di dati sull'universo) un team internazionale di scienziati ha assemblato una mappa tridimensionale che offre un primo sguardo alla distribuzione a ragnatela della materia oscura nell'universo. La mappa rivela una fitta rete di filamenti di materia oscura, che gradualmente collassano sotto la spinta della forza di  gravità. I tre assi che inquadrano l'immagine corrispondono rispettivamente : l'asse delle x alla ascensione retta, delle y alla declinazione e delle z alla distanza dalla Terra. La distanza rappresenterà anche la coordinata temporale, dal momento che la luce che percepiamo oggi proveniente dalle galassie più lontane ha impiegato miliardi di anni per percorrere la distanza che ci separa da queste portandoci fotografie del passato. Bisogna notare come la distribuzione della materia oscura diventi più pronunciata man mano che ci si avvicina all'origine dell'universo.

Questo conferma le teorie su come la struttura dell'universo si formò nella sua evoluzione. La materia oscura è infatti passata da una distribuzione tendenzialmente regolare ad una simile ad una spugna, composta da zone più aggregate e grandi spazi vuoti. I filamenti di materia oscura iniziarono a formarsi per primi nella storia dell'universo e determinarono una struttura che poi condizionò la distribuzione della materia ordinaria. Senza la materia oscura non ci sarebbe stata abbastanza massa nell'universo per il collasso di materia ordinaria e stelle e galassie non si sarebbero formate. Questo risultato storico, uno dei più importanti in cosmologia, conferma esattamente le teorie standard sulla formazione della struttura dell'universo.

Per gli astronomi la sfida di mappare l'universo è stata simile a quella di determinare la topografia di una città di notte, vedendo solo la luce dei lampioni. Questi ci fanno intuire che esistono delle case nelle loro vicinanze, ma la struttura della città rimane oscura. In modo analogo vediamo pianeti, stelle e galassie nel cielo notturno, ma questi sono fatti di materia ordinaria, che equivale in totale a solo un sesto della massa globale dell'universo, vicino a lori ci devono dunque essere grandi quantità di materia oscura. La materia ordinaria - incluse stelle, galassie e gas - è inserita all'interno di una struttura preesistente di materia oscura.

Nonostante questi risultati parziali l'energia e la materia oscura sono ancora i due campi di studio più controversi per i cosmologi. Non siamo ancora giunti alla definizione della materia oscura, né sappiamo come questa si sia formata. Ma il sentiero che porta alla risoluzione di questo enigma è estremamente affascinante.