Di cosa è fatto l’universo ?


Proprio nel momento in cui il modello di Universo sembrava pressoché ultimato (mancavano solo gli ultimi ritocchi che ne definissero la struttura nei dettagli), gli astrofisici ebbero la sgradita sorpresa di constatare che le informazioni fornite dai telescopi più grandi e moderni mostravano uno spazio cosmico che non si comportava esattamente come essi avevano congetturato.

L’imponente messe di dati raccolti attraverso i nuovi strumenti di osservazione (ossia il conteggio di centinaia di miliardi di galassie, ognuna con centinaia di miliardi di stelle) aveva consentito ai fisici di calcolare la massa complessiva della materia presente nel Cosmo, un valore quest’ultimo indispensabile per determinarne il destino. Però quelle stesse osservazioni avevano anche messo in luce che stelle e galassie visibili rappresentavano solo una minuscola frazione di tutta la materia esistente, mentre vi era una notevole quantità di essa invisibile al telescopio, che per tale motivo venne chiamata materia oscura. Di questa misteriosa forma di materia, ancora oggi, non sappiamo quasi nulla e in realtà non abbiamo la più pallida idea né della sua natura, né della sua origine.

La cosa ancora più sconcertante, tuttavia, fu la scoperta che la maggior parte di ciò che esiste nell’Universo non era affatto materia, ma una strana forma di energia che sta alimentando l’espansione cosmica, accelerandola. L’espansione dell’Universo fu osservata per la prima volta dall’astronomo americano Edwin Hubble nel 1929, ma gli astronomi prevedevano che la dilatazione del Cosmo avrebbe rallentato nel tempo in quanto la forza di gravità, che tende ad avvicinare le masse, si sarebbe opposta a questo rigonfiamento dello spazio e avrebbe ridotto la velocità di espansione.

Ciò che ultimamente si è osservato è esattamente il contrario: l’Universo non sta affatto rallentando la sua espansione, sta invece accelerandola. A spingere le galassie a velocità sempre maggiori, come abbiamo detto, vi è una forma incomprensibile di energia a cui è stato assegnato il nome di energia oscura.

 

LO STATO ATTUALE DELLA MATERIA NELL’UNIVERSO

Il nuovo modello è quello di un Universo incredibilmente buio per i nostri occhi e per i nostri telescopi composto da solo il 4 per cento di barioni, ossia di materia ordinaria formata da protoni e neutroni, mentre circa il 23% è costituto da materia oscura. Per quanto sia impossibile osservare direttamente la materia oscura, possiamo tuttavia conoscere la sua massa in base all’attrazione gravitazionale che essa esercita sugli altri corpi celesti e sulla luce.

I corpi celesti che osserviamo nell’Universo sono luminosi o perché essi stessi emettono luce o perché la riflettono. Le stelle brillano perché producono una grande quantità di fotoni e i pianeti risplendono perché riflettono la luce del Sole. Se non ci fosse il Sole i pianeti non si vedrebbero e perfino un pianeta grande come Giove non sarebbe visibile se si trovasse, solitario nello spazio, molto lontano dal Sole.

Esiste comunque la possibilità di identificare un corpo celeste anche senza vederlo direttamente. Se ad esempio non si vedesse la Luna, potremmo dedurre la sua presenza dal fatto che esercita una leggera attrazione sulla Terra spostando leggermente la sua orbita. Allo stesso modo, le oscillazioni indotte dalla gravitazione hanno permesso di individuare dei pianeti intorno a stelle lontane.

È dal 1933 che la materia oscura mette in difficoltà i cosmologi. In quell’anno, l’astronomo svizzero Fritz Zwicky, analizzando il movimento di un ammasso di galassie scoprì che lo si sarebbe potuto spiegare solo se nella regione in esame si fosse celata una grande quantità di materia, molto più abbondante di quella visibile. In seguito, tale anomalia è stata rilevata in ogni punto dell’Universo: galassie e stelle si comportano come se fossero circondate da un’enorme quantità di materia invisibile. Non potendo osservare direttamente questa forma di materia, tuttavia se ne deduce l’esistenza dagli effetti che essa produce sugli oggetti materiali.

La materia oscura, benché invisibile, esercita dunque una forza di gravità e quindi, come qualsiasi altro corpo celeste, influenza la luce che le passa vicino. Per poter osservare un fenomeno tanto strano serve un mezzo di osservazione altrettanto originale. Il nuovo telescopio che ci consente di osservare anche ciò che non si vede ci fu offerto da Einstein con la sua teoria della relatività. Quella teoria prevedeva la distorsione dello spazio per la presenza in esso della materia. Secondo Einstein la presenza di un corpo distorce spazio e tempo e la distorsione è tanto più grande quanto più massiccio è il corpo che la produce.

Se c’è della materia oscura tra noi e la galassia che stiamo osservando, la direzione della luce proveniente da quell’insieme di stelle verrà deviata leggermente perché la materia oscura si comporta come una lente gigantesca. Questo effetto prende il nome di “lente gravitazionale” e ha consentito di individuare molti corpi celesti il cui numero tuttavia non è ancora sufficiente per rendere conto di tutta la massa mancante nell’Universo.

Da cosa è composta la materia oscura? Potrebbe essere costituita da nubi di gas oscuro, da stelle molto piccole che non sono riuscite ad innescare nel loro centro le reazioni nucleari di fusione a causa delle ridotte dimensioni, da pianeti non illuminati da stelle vicine o forse ancora da buchi neri. Complessivamente questi corpi sono detti MACHO o MAssive Compact Halo Object (oggetti massivi e compatti dell’alone) e sono costituiti di materia ordinaria, ossia protoni, neutroni ed elettroni. In realtà una parte della materia oscura potrebbe essere proprio questa, ma è molto più probabile che la forma misteriosa di materia possa essere composta da un nuovo tipo di particelle subatomiche chiamate WIMPs, acronimo di Weakly Interacting Massive Particles (particelle massive debolmente interagenti), che non produrrebbero praticamente alcun effetto sulla materia ordinaria o sulla luce.

Nei pressi di Ginevra, al confine fra Francia e Svizzera, a 100 metri di profondità è stato scavato un tunnel, grossomodo circolare, lungo circa 27 kilometri, per la realizzazione di una serie di esperimenti che hanno la finalità di rivelare le realtà più profonde del nostro Universo. Protoni e neutroni verranno accelerati nell’anello da giganteschi magneti superconduttori e fatti scontrare fra loro a velocità prossime a quelle della luce. L’esperimento si chiama Large Hadron Collider (LHC) e si pone diversi obiettivi fra cui quello di scoprire la natura della materia oscura.

Un buon candidato a rappresentare le WIMPs è il neutrino, di cui ultimamente è stata misurata la massa, scoprendo che è molto piccola, ma non inconsistente come si era sempre ritenuto. In ogni caso, per quanto in numero enorme, i neutrini potrebbero costituire solo una parte della massa mancante dell’Universo, non tutta, quindi c’è posto per altre particelle più esotiche che aspettano di essere rilevate. Fra queste le più favorite sono gli assioni, particelle stabili con una massa molto piccola, ma sufficiente per interagire seppure debolmente con la materia ordinaria.

 

L’UNIVERSO IN ACCELERAZIONE

Nell’ultimo secolo è stata elaborata una teoria del Cosmo che ha ottenuto straordinari successi. Questa, come è noto, si chiama “Big Bang” un nome che le venne assegnato dall’astrofisico britannico Fred Hoyle con intento di ridicolizzarla e metterla in contrapposizione alla sua, detta teoria dello Stato Stazionario. In realtà la definizione di Big Bang, ancorché ironica, piacque ai suoi sostenitori, i quali, anziché respingerla sdegnati, l’adottarono di buon grado.

La teoria prevede che circa quindici miliardi di anni fa la parte di Universo che possiamo osservare, e probabilmente una regione ancora più grande, fosse stata concentrata in un volume estremamente caldo e denso più piccolo del granello di sabbia più piccolo che si possa raccogliere nella spiaggia di Grado (centro balneare in provincia di Gorizia, celebre per la finezza della sua sabbia).

Una componente essenziale della teoria del Big Bang è il concetto che viviamo in un Universo in espansione. Le galassie stanno tutte allontanandosi le une dalle altre e quanto maggiore è la loro distanza, tanto più veloce è il moto di allontanamento. In realtà non sono le galassie a muoversi ma è lo spazio stesso che si sta dilatando. Per quanto strano possa apparire questo quadro, l’espansione è stata misurata innumerevoli volte e con strumenti sempre più precisi, ultimo dei quali è l’Hubble Space Telescope, un telescopio astronomico (piazzato su un satellite che ha all’incirca le dimensioni di un autobus a due piani) il quale effettua le sue osservazioni al di sopra dell’atmosfera, cosicché le immagini che registra sono molto nitide.

Circa quindici anni fa, due gruppi di astronomi, in modo indipendente l’uno dall’altro, si proposero di osservare le zone più lontane dell’Universo utilizzando alcune stelle particolari che diventavano improvvisamente molto luminose. Si trattava delle cosiddette supernove cioè di stelle di grande massa che giunte alla fine della loro esistenza esplodono liberando enormi quantità di energia. Le supernove osservate dai due gruppi di astronomi erano un po’ diverse da quelle più comuni; si trattava in realtà di stelle vecchie relativamente piccole le quali, ricevendo materia da una compagna vicina, si ingrandiscono e quindi esplodono divenendo per un breve periodo di tempo più brillanti di un’intera galassia. Si tratta delle supernove chiamate primo-a (Ia) di cui è nota la luminosità intrinseca: ciò permette di vedere oggetti celesti molto lontani e di conseguenza anche molto vecchi.

La luce, come è noto, procede ad una velocità molto grande, ma non infinita, per cui impiega un certo tempo per raggiungere l’osservatore. La Stella Polare, ad esempio, dista da noi circa 300 anni luce e quindi la vediamo come era 300 anni fa; oggi non sappiamo se la sua luce è altrettanto intensa come era nel momento in cui da essa partirono i fotoni che oggi ci hanno raggiunto e per saperlo dovremmo aspettare per l’appunto 300 anni.

Poiché le supernove dalla luminosità intrinseca nota presentano ovviamente una luminosità apparente tanto più fioca quanto più sono lontane, esse ci consentono di risalire alla distanza e quindi al tempo in cui si è verificato l’evento. Ora, misurare con precisione le distanze cosmiche significa venire in possesso di un dato fondamentale per ricostruire la storia dell’espansione dell’Universo.

 

LA DOMANDA FINALE

La strada della scienza è lastricata di teorie sbagliate. La continua ricerca di nuovi orizzonti hanno catapultato i ricercatori nel bel mezzo di paesaggi prima inimmaginabili e nuove teorie sono scaturite da nuove tecnologie, da nuovi risultati sperimentali o da nuove idee.

Ad esempio, l’osservazione del naturalista olandese Antoni Van Leeuwenhoek che, attraverso il microscopio da lui stesso costruito, per primo osservò gli spermatozoi che chiamò “homunculi” (perché pensava si trattasse di uomini in miniatura) oltre ad una vasta serie di microrganismi in movimento entro una goccia d’acqua, condusse ad un mutamento nello studio della biologia.

Successivamente la fisica quantistica ha consentito di penetrare le strutture intime della materia estraendo da essa i quark. Dall’altra parte dello spettro dimensionale la teoria della relatività generale ha permesso di accedere alle architetture naturali più grandi che hanno consentito una descrizione dell’Universo dove spazio, tempo, materia, ed energia sono inestricabilmente legati in un frenetico fervore di attività che si è rivelato non meno inatteso di ciò che è stato visto per la prima volta al microscopio.

La richiesta iniziale relativa alla composizione dell’Universo si è pertanto sdoppiata in due distinte domande: “Che cos’è la materia oscura?” e “Che cos’è l’energia oscura?”. Se la materia normale, quella fatta di atomi e di molecole, che costituiscono tutto quello che vediamo è solo una frazione minima di tutto ciò che esiste che cos’è la materia oscura che rappresenta la frazione più abbondante dell’Universo? Ma poi, cosa è questa misteriosa energia oscura che accelera l’espansione del Cosmo facendosi beffa della forza di gravità che dovrebbe attrarre tutti gli oggetti materiali e che rappresenta il rimanente 73% di tutto ciò che esiste?

Il problema arduo alla cui risoluzione sono chiamati fisici e astronomi è ora quello di scoprire la natura della parte oscura dell’Universo senza che essi possano disporre di strumenti adatti per farlo. Indubbiamente è necessario che gli studiosi delle particelle e quelli che scrutano le profondità del Cosmo si alleino: gli uni indagando il microcosmo alla ricerca di nuove microparticelle e gli altri nella ricerca di nuove dimensioni astronomiche. Alla fine essi saranno in grado di chiarire il mistero.

L’estremamente grande e l’incredibilmente piccolo, come è evidente, sono entrambi essenziali per determinare la composizione dell’Universo. Sarà sufficiente rispondere alla domanda facendo leva sulle particelle conosciute e sulle forze note o bisognerà trovare qualcosa di totalmente differente? In realtà la risposta alla domanda relativa alla composizione dell’Universo è molto più complessa di quanto fosse in passato e la soluzione dell’enigma dovrà attendere la prossima grande rivoluzione scientifica.

Prof. Antonio Vecchia

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