L'energia oscura  

Come abbiamo già visto, Albert Einstein elaborò un modello di universo in accordo con la propria visione del mondo, peraltro condivisa da molti suoi colleghi: un universo statico, di densità uniforme e di raggio finito, che era sempre esistito e che sarebbe esistito per sempre. Nonostante i suoi tentativi, però, tale universo si rivelò instabile: come già osservato in una lezione precedente, la gravitazione universale avrebbe fatto sì che tutte le masse si attirassero reciprocamente, facendo collassare l'universo in un unico punto. Siccome però Einstein credeva fortemente nel principio di un universo eterno e statico, decise di modificare le proprie equazioni relativistiche aggiungendovi un nuovo termine, la cosiddetta "costante cosmologica", indicata con la lettera greca Λ (lambda), la quale rappresenta una forza di repulsione tra le masse, in grado di agire solo tra masse enormi e su distanze grandissime. In tal modo, se la mela di Newton è attirata dalla Terra, due galassie molto lontane tenderebbero invece a respingersi tanto quanto la gravitazione la farebbe avvicinare, e così l'universo rimarrebbe statico.

Le cose, invece, stavano in ben altro modo. Già nel 1917 il matematico olandese Willem de Sitter (1872–1934) individuò una soluzione delle equazioni gravitazionali di Albert Einstein che prevedeva un universo in espansione, dodici anni prima della clamorosa scoperta di Hubble; per questo un universo in espansione è chiamato anche Universo di de Sitter. Naturalmente Hubble sgomberò il campo da ogni modello statico dell'universo, confermando che l'universo si espande, e quindi che ha avuto un inizio ed avrà una fine; un inizio che oggi sappiamo essere . Albert Einstein dovette infine gettare la spugna e riconoscere che il cosmo in cui viviamo non è affatto statico, e così cancellò la costante cosmologica, definendola « il più grande errore della mia carriera », avendogli impedito di arrivare alla formulazione dell'espansione universale prima che Hubble se ne accorgesse con le sue misurazioni. Tuttavia, nessuna affermazione nella storia della scienza è da considerarsi una verità assoluta; ed infatti, anche "il più grande errore" della carriera di Einstein potrebbe rivelarsi come una straordinaria anticipazione.

Infatti, la gravitazione é la meno intensa tra le interazioni conosciute, eppure essa fa sentire in modo rilevante i suoi effetti proprio sull'evoluzione cosmologica: dato che tra le varie galassie si esercita un'attrazione reciproca, qualunque sia stata l'intensità iniziale dell'espansione, allora la logica vuole che questa proceda ad un ritmo meno intenso di quanto non avverrebbe se gli arcipelaghi stellari fossero del tutto indipendenti l'uno dall'altro. In altre parole, l'attrazione reciproca tra le galassie e gli ammassi di galassie dovrebbe frenare progressivamente l'espansione universale, facendola proseguire ad un ritmo sempre più lento. Così si credette per quasi settant'anni dopo la scoperta di Hubble. Invece, l'8 gennaio 1998 Saul Perlmutter (1950–) del Berkeley Lab annunciò che le sue accurate misurazioni della velocità di allontanamento reciproco delle galassie dimostravano che l'espansione non sta affatto frenando; anzi, sta accelerando!

Come è possibile questo? Per spiegare questo incredibile comportamento è stato introdotto il concetto di "energia oscura", un'ipotetica forma di energia che si troverebbe in tutto lo spazio, come la famosa "etere" di Aristotele e poi dell'ottica ottocentesca, e con la sua pressione spingerebbe le galassie ad allontanarsi le une dalle altre. Secondo i calcoli di Perlmutter, l'universo sarebbe costituito per lo 0,5 % da oggetti stellari, per il 4 % da nebulose di gas intergalattico, per lo 0,3 % dagli sfuggenti neutrini e solo per lo 0,03 % da elementi pesanti, che costituiscono i pianeti come la Terra. Il 26,8 % sarebbe da imputare alla sfuggente materia oscura trattata nella precedente lezione, e addirittura il 68,3 % da questa misteriosa energia oscura di cui nessuno oggi conosce la vera natura. La scoperta fu così sensazionale che valse il Premio Nobel per la Fisica nel 2011 a Saul Perlmutter, insieme a Brian Schmidt (1967-) dell'Australian National University e ad Adam Riess (1969-) della Johns Hopkins University e dello Space Telescope Science Institute.

Un'ulteriore conferma dell'esistenza di una realtà fisica tanto esotica è venuta nel 2008 da un gruppo di astronomi dell'Università delle Hawaii guidati da István Szapudi, i quali hanno studiato le massime strutture conosciute nell'universo:, i superammassi di galassie, regioni di diametro fino a un miliardo di anni luce, in cui si addensano immense quantità di materia; e i supervuoti cosmici, regioni di volume comparabile a quello dei superammassi, ma praticamente prive di materia. Szapudi e collaboratori hanno studiato con cura certosina lo spostamento gravitazionale verso il rosso subito dalla radiazione cosmica del fondo a microonde nel suo viaggio dal momento in cui fu emessa per la prima volta, circa 300.000 anni dopo il Big Bang, fino a giungere all'orecchio dei nostri radiotelescopi. In un universo dominato dall'energia oscura, questo effetto (detto anche Effetto Sachs-Wolfe) è rilevabile come un lievissimo riscaldamento (cioè aumento della frequenza) o raffreddamento (cioè diminuzione della frequenza, in base alla Legge di Wien) dei fotoni della radiazione cosmica, a seconda che essi attraversino i superammassi, ad alta densità di materia, o i supervuoti, in cui la densità di materia è quasi zero. Szapudi e colleghi sono riusciti ad evidenziare questo effetto sotto forma di un segnale debolissimo, ma di fondamentale importanza, poiché ha rappresentato la prima prova diretta dell'esistenza dell'enigmatica energia oscura.

Un nuovo passo verso l'identikit dell'energia oscura è stato compiuto nel 2014 grazie alla Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un ambizioso progetto internazionale di mappatura celeste, che ha permesso di misurare il tasso di espansione dell'universo con una precisione senza precedenti. Per riuscirci, sono state prese in considerazione alcune lontanissime galassie, analizzando come la loro luce viene assorbita dalle grandi nubi di idrogeno poste a varie distanze da noi. Per portare a termine un compito come questo, è necessario osservare un campione molto grande di galassie attraverso il Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), uno dei progetti portati avanti dal team della SDSS, le cui osservazioni sono iniziate nel 2000 e hanno condotto all'osservazione di 500 milioni di stelle e galassie. Il "cuore" della SDSS è un telescopio riflettore da 2,5 metri di diametro, installato a quasi 3000 metri di quota nell'Osservatorio di Apache Point in Arizona.

Le nubi di idrogeno intergalattiche disperse nello spazio fra noi e le più remote galassie assorbono diversi colori della luce emessa da quelle più lontani. Gli astronomi impegnati nel BOSS hanno quindi potuto misurare di quanto l'universo si sia espanso fra le epoche in cui la luce ha attraversato le varie nubi di idrogeno. Si tratta di un metodo pionieristico, che sfrutta la distribuzione delle nubi di gas su grandissima scala, e che ha permesso di concludere che circa 11 miliardi di anni fa l'Universo si espandeva di circa l'1 % ogni 44 milioni di anni. « Poco più di un anno fa abbiamo tentato per la prima volta e mostrato che questo sistema funziona davvero », ha commentato Matthew Pieri dell'Istituto di Cosmologia e Gravitazione dell'Università di Portsmouth. « Ora ci siamo ritornati con il doppio dei dati e con una notevole precisione del 2 %. Stiamo misurando l'espansione dell'Universo in grandissimo dettaglio. Come gli anelli nel tronco di un albero ci dicono la sua età, lo spettro di ogni galassia diventa un archivio della storia dell'universo ». La strada è ovviamente ancora lunga, e la grandissima precisione delle misure potrebbe svelare delle sorprese sulla nostra visione del cosmo.

Un esempio di queste sorprese è arrivato all'inizio del 2014, quando Daniel Eisenstein dell'Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics e colleghi hanno condotto una campagna di osservazioni allo scopo di misurare con grandissima precisione la distanza tra due galassie più ricorrente nell'universo; essa è risultata pari a 150 megaparsec, cioè a circa 490 milioni di anni luce. Si tratta di un valore casuale, o di una conseguenza intrinseca dell'espansione dell'universo? Eisenstein e colleghi sostengono la seconda ipotesi. Secondo loro, infatti, nella materia primordiale si sarebbero formate minuscole increspature che avrebbero determinato l'addensamento della materia in certi punti, i "semi" da cui si sarebbero formate le galassie. Quando l'universo era giovane e molto caldo, questi punti ultradensi non avrebbero potuto compensare la loro stessa pressione, e avrebbero prodotto nello spazio delle onde sonore; esse si sarebbero propagate fino a che l'universo non si è raffreddato e si sono formati gli atomi neutri. Le onde sonore avrebbero percorso fino ad oggi una distanza pari appunto a 150 megaparsec, e dove si sarebbero fermate, avrebbero comunicato alla materia presente un impulso che avrebbe innescato la formazione di una galassia. Queste increspature periodiche nella diffusione delle galassie nel cosmo sono chiamate oscillazioni acustiche barioniche; usando queste oscillazioni, gli astronomi potranno confrontare la separazione attuale delle galassie con la dimensione di queste increspature poco dopo la nascita dell'universo per cercare di capire in che modo lo spazio si è "stirato" nel corso del tempo, permettendoci di ricostruire in modo molto accurato la storia dell'espansione dell'universo e di porre un limite alle proprietà dell'energia oscura.

Rappresentazione artistica delle oscillazioni acustiche barioniche, osservabili ancora oggi (immagine di Chris Blake/Moorfield/BOSS)

Rappresentazione artistica delle oscillazioni acustiche barioniche, osservabili ancora oggi (immagine di Chris Blake/Moorfield/BOSS)

E non è tutto. Adam Riess dello Space Telescope Science Institute di Baltimore, nel Maryland, ha confrontato la costante di Hubble misurata dal suo staff mediante osservazioni ottenute col telescopio spaziale Hubble con il valore della stessa costante previsto sulla base dei dati riguardanti l'universo primordiale. La sconcertante differenza da lui evidenziata implica che il tasso di espansione dell'universo è cambiato nel tempo. In particolare, oggi l'universo sembra espandersi con una rapidità più elevata dell'otto per cento rispetto a quanto avveniva nella sua infanzia e rispetto alla sua evoluzione attesa. La maggior parte dei cosmologi era convinta che l'energia oscura si comportasse proprio come la costante cosmologica Λ di Albert Einstein; la discrepanza nella costante di Hubble, però, suggerisce che l'energia oscura potrebbe cambiare nel tempo e nello spazio, causando un'accelerazione crescente del cosmo, anziché rappresentare una forza costante di repulsione. I cosmologi ipotizzano che l'accelerazione dell'espansione dell'universo sia cominciata tra cinque sei miliardi di anni fa, e ritengono che nella fase precedente l'espansione fosse in decelerazione a causa della forza gravitazionale attrattiva esercitata dalla materia barionica e dalla materia oscura.

Secondo i calcoli degli astrofisici, la densità della materia in un universo in espansione dovrebbe ridursi più velocemente rispetto all'energia oscura, ed infine questa dovrebbe prendere il sopravvento. In particolare, quando il volume dell'universo raddoppia, la densità della materia si dimezza, mentre l'energia oscura dovrebbe rimanere quasi invariata. L'enigmatica energia invisibile dovrebbe naturalmente avere un ruolo anche nell'evoluzione futura dell'universo. Il Big Crunch, cioè il collasso di tutte le galassie in un sol punto per effetto della gravità, scenario opposto al Big Bang ritenuto il più probabile fino agli anni ottanta, sembra definitivamente escluso dopo la scoperta dell'accelerazione dell'espansione dell'universo. Quest'ultimo dunque sembra atteso da un'eterna espansione senza limiti, in cui l'energia fantasma "satura" tutto l'universo ed esso raggiunge una densità infinita, espandendosi però di una quantità finita. La continua espansione provoca un universo troppo freddo per sostenere la vita: la materia sopravvissuta ha così poca energia da risultare assolutamente immobile, e il tempo virtualmente si ferma. Le galassie "muoiono" allorché tutta la loro materia viene fagocitata dal buco nero centrale e dagli altri buchi neri causati dalla morte delle stelle supermassicce che la compongono. Come ha insegnato lo scienziato britannico Stephen Hawking (1942-), i buchi neri evaporano in un tempo per noi lunghissimo, dell'ordine di 1064 anni: emettendo radiazione, a poco a poco scompaiono. Su scale temporali ancora più lunghe (101000 anni! un intervallo di tempo davvero astrononomico!), questa radiazione si "dissipa" e tutto lo spazio si trasforma in un "fluido" allo zero assoluto; da quel momento in poi, non accade praticamente più nulla, e la freccia del tempo "si rompe". Questo processo coincide con la "morte termica" dell'universo, di cui abbiamo parlato nell'ipertesto dedicato alla Termodinamica. Questo scenario prende il nome di Big Freeze ("grande congelamento").

Non si tratta però dell'unico futuro possibile. Alcuni cosmologi più pessimisti degli altri hanno proposto uno scenario ben più catastrofico: se l'energia oscura non è costante nell'universo, come prevedono molti modelli, ma aumenta di potenza, l'universo può letteralmente andare in pezzi. Questa forma potentissima di energia oscura non solo farebbe espandere l'universo all'infinito, ma sarebbe capace addirittura di separare tra di loro tutti i suoi componenti. Prima le galassie verrebbero separate le une dalle altre, poi la gravità sarebbe troppo debole per tenerle assieme e le stelle, che a loro volta si separerebbero, "dissolvendo" le galassie e gli ammassi. Circa tre mesi prima della fine, i pianeti si separerebbero dalle loro stelle, negli ultimi minuti le stelle e i pianeti sarebbero disintegrati, e una frazione di secondo prima della fine anche gli atomi verrebbero distrutti, e i protoni "sciolti" nei quark e nei gluoni che li compongono. Insomma, l'Universo sarebbe ridotto ad un "brodo" di particelle elementari isolate le une dalle altre, in cui ogni attività sarebbe impossibile, poiché ogni particella sarebbe impossibilitata a "vedere" le altre: l'Universo tornerebbe insomma al caos primordiale. Naturalmente, la dissoluzione della materia porterebbe necessariamente anche alla fine del tempo. Secondo questo scenario, la fine avverrebbe tra circa 20 miliardi di anni. La vita totale dell'universo si aggirerebbe allora sui 33 miliardi di anni. In tal caso si parla di Big Rip ("grande strappo"). Ma vi è un'alternativa: il cosiddetto Big Brake ("grande frenata"), ipotizzato per la prima volta nel 1994. In pratica, la materia oscura non guida più l'espansione cosmica, ma al contrario, da un certo punto in poi, la ritarda, frenando bruscamente l'espansione. La decelerazione è potenzialmente infinita, e di conseguenza le strutture dell'universo sarebbero soggette a tali forze di marea, che tutto andrebbe distrutto.

La fine dell'ultimo uomo nella storia a fumetti "La scorribanda nei secoli" di Jerry Siegel e Romano Scarpa (da "Topolino" n° 911 del 13 maggio 1973)

La fine dell'ultimo uomo nella storia a fumetti "La scorribanda nei secoli" 
di Jerry Siegel e Romano Scarpa (da "Topolino" n° 911 del 13 maggio 1973)

Naturalmente la fantascienza si è già impadronita di questo nuovo, enigmatico inquilino della Fisica del XXI Secolo. Nella serie di videogiochi d'azione Mass Effect, sviluppata nel 2007 dalla BioWare, dei campi artificiali di energia oscura, generati sottoponendo a una corrente elettrica un altrettanto fittizio "elemento zero", sono in grado di ridurre la massa a riposo della materia contenuta al loro interno (il "mass effect" che dà il nome alla saga): l'energia oscura è quindi utilizzata per alleggerire le astronavi, permettendo loro di raggiungere velocità superiori a quella della luce, per generare gravità artificiale, per accelerare i proiettili delle armi da fuoco, e viene persino utilizzata da particolari individui, i biotici, per generare campi di energia oscura capaci di disarmare i nemici! Ma, al di là delle fantasiose ipotesi dei videogiochi, questa fantomatica energia oscura da quale meccanismo fisico può saltare fuori?

Quando Richard Feynman (1918–1988) sviluppò l'Elettrodinamica Quantistica, si rese conto che anche il vuoto possiede una sua ben definita energia, provocata dalle particelle virtuali che si formano in continuazione. Il principio di indeterminazione di Heisenberg infatti afferma tra l'altro che l'energia e la durata di un fenomeno non possono essere entrambi zero. Di conseguenza il vuoto assoluto non può esistere, poiché in esso energia e durata dei fenomeni sono appunto nulli. Nel vuoto si generano in continuazione coppie di particelle e antiparticelle, per poi annichilarsi a vicenda: quello che noi crediamo il "vuoto" è in realtà un pauroso ribollire di particelle (virtuali, perché non rilevabili) che interagirebbero globalmente con la materia ordinaria, dando vita all'accelerazione dell'universo. Questa situazione è chiamata "vuoto quantistico", e ne riparleremo più avanti. Insomma, l'energia oscura sarebbe una sorta di energia intrinseca dello spazio (« il prezzo della pace per avere spazio », come lo ha definito un fisico). Da qui nasce l'esigenza di rispolverare proprio la costante cosmologica Λ già scartata da Einstein, alla faccia del più grande errore del fisico tedesco!

Il valore migliore stimato da Saul Perlmutter per la costante cosmologica è dell'ordine di circa 10−29 g/cm3. Il problema è che la maggior parte delle teorie quantistiche dei campi prevedono un valore enorme per la costante dall'energia del vuoto quantistico, fino a 120 ordini di grandezza in più: è questo il massimo sfasamento tra teoria e misure in tutta la storia della Fisica! Altri fisici allora hanno pensato all'energia oscura come ad una "quintessenza" (appunto, come l'etere aristotelica: torna l'eterna ossessione dei cosmologi!) chiamata anche "energia fantasma", un campo che pervade lo spaziotempo e può assumere valori diversi in punti differenti. Una spiegazione ulteriore propone l'esistenza di un'ulteriore particella fondamentale oltre a quelle previste dal Modello Standard: una nuova specie di neutrino, diversa da quelli elettronico, muonico e tauonico. Se esistesse un quarto tipo di neutrino, allora una quantità maggiore di energia totale dell'universo avrebbe assunto la forma di radiazione, invece che di materia (i neutrini, essendo quasi privi di massa, viaggiano a velocità prossime a quella della luce e quindi sono considerati come radiazione). Mentre la materia si aggrega per effetto della gravità, un tasso di radiazione più elevato avrebbe permesso all'universo di espandersi più rapidamente di quanto sarebbe stato altrimenti. Altri fisici ancor più coraggiosi puntano su teorie alternative, innovative ed estremamente complesse, come la teoria delle Superstringhe o la Gravità Quantistica a Loop, le quali potrebbero spiegare la costante cosmologica senza far ricorso all'energia oscura. Come nel caso della materia oscura, c'è anche chi pensa che l'energia oscura e l'accelerazione cosmica siano la prova del fallimento del Modello Standard fin qui accettato, poiché costringe ad ammettere l'esistenza di qualcosa non ancora interpretabile mediante quella che per noi è la "Fisica ufficiale". Distinguere quale sia il modello migliore tra l'energia del vuoto, la quintessenza e gli altri richiede misure accuratissime dell'espansione dell'universo per capire come la sua velocità cambia nel tempo, e capire quanto poco è stato sbagliato "il più grande errore" di Einstein sarà uno degli sforzi maggiori della Fisica e della Cosmologia nel corso del XXI secolo.