Materia ed energie oscure


Nell’Universo, oltre alla materia luminosa – quella che “vediamo” perché emette radiazioni elettromagnetiche, cioè luce, onde radio, raggi X e gamma – è presente un tipo di materia invisibile che per tale motivo è detta materia oscura. Ma in aggiunta alla materia (luminosa e oscura), nell’Universo ci deve essere anche una forma di energia misteriosa detta energia oscura la cui esistenza è invocata per spiegare il fatto che l’espansione dell’Universo anziché decelerare per effetto dell’attrazione gravitazionale, sembra accelerare.

 

LA MATERIA OSCURA

La teoria cosmologica più accreditata prevede la nascita dell’Universo da una particella di dimensioni insignificanti da cui sarebbero scaturiti i protoni e i neutroni necessari per creare tutte le stelle e tutte le galassie osservabili. Gli atomi complessivi che popolano l’Universo osservabile sono miliardi di miliardi di miliardi… (per la precisione 1078) ma i quanti di radiazione, ossia i fotoni, sono in numero ancora più grande: si calcola che essi siano circa dieci miliardi per ogni protone ed è per questo motivo che spesso si parla di Big Bang caldo.

Se sbriciolassimo tutte le galassie e spargessimo uniformemente nello spazio la materia stellare di cui sono fatte, e in più a questa aggiungessimo il gas interstellare, la densità risultante sarebbe di un solo atomo ogni 10 metri cubi. Sembra che ci sia anche una quantità pressappoco uguale di materia nel gas intergalattico, ma pure tenendo conto di questa aggiunta, la densità risultante sarebbe di solo due atomi di idrogeno ogni 10 metri cubi, ossia l’equivalente di pochi granelli di sabbia in un volume uguale a quello della Terra.

Gli astronomi hanno calcolato che se la densità della materia fosse pari a cinque atomi di idrogeno per metro cubo (cioè 25 volte di più di quello che si osserva) la gravità prodotta da questa massa sarebbe in grado di frenare l’espansione e creare quello che viene definito un “Universo piatto” (o “euclideo”). Con una quantità di materia minore, come potrebbe essere ad esempio proprio quella che è stata osservata, l’Universo continuerebbe ad espandersi per sempre generando un “Universo aperto”. Se infine la densità di materia superasse il valore critico che corrisponde, come abbiamo detto, a cinque atomi di idrogeno per metro cubo, l’attrazione sarebbe in grado di instaurare un processo di contrazione che terminerebbe con il “big crunch”: un gigantesco collasso di tutta la materia e di tutta l’energia (in tal caso si parla di “Universo chiuso”).

Fra le tre possibilità, la teoria detta dell’Universo inflazionario suggerisce che questo debba essere piatto. L’Universo inflazionario è un modello di Universo proposto dall’astronomo americano Alan Guth nel 1980 per risolvere alcuni paradossi della teoria standard del big bang. Esso prevede una velocità di espansione durante i primissimi istanti di vita talmente elevata da stirare l’Universo al punto da renderlo piatto. Finora le prove contrarie a questa teoria non sono mai state abbastanza solide così da vanificarne i punti di forza ma oggi le osservazioni sembrano delineare un Universo diverso da quello disegnato dalla teoria inflazionaria: esso dovrebbe essere aperto invece che piatto e quindi destinato ad espandersi per sempre. Recentemente tuttavia è stato scoperto un fatto inaspettato e imbarazzante.

La vicenda inizia nel 1933 quando l’astronomo americano di origine svizzera Fritz Zwicky (1898-1964) osservò qualcosa di insolito nel moto di un gruppo di galassie situate alla distanza di oltre cento milioni di anni luce da noi. Le loro velocità relative erano così grandi che l’attrazione gravitazionale dovuta al materiale visibile non sarebbe stata sufficiente a tenerle insieme. Eppure esse formavano chiaramente un sistema compatto.

A partire dagli anni Sessanta del secolo scorso si è cominciato a comprendere il vero significato di quell’osservazione. All’interno dell’ammasso di galassie studiate dall’astronomo svizzero-americano doveva esistere qualcosa che non emette onde elettromagnetiche e quindi non è visibile al telescopio o ai radiotelescopi, ma che tuttavia genera una forza di gravità che va ad aggiungersi a quella prodotta dai corpi celesti visibili.

A rafforzare questa ipotesi alcuni anni più tardi furono osservate delle anomalie nei moti orbitali di un tipo particolare di galassie dette “galassie a spirale”. Si sapeva dalla fisica che i corpi in rotazione obbediscono alla legge di gravitazione universale di Newton e alle leggi di Keplero. Secondo la legge di gravitazione universale due corpi si attraggono con una forza che è direttamente proporzionale alle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. La distanza e il periodo di rotazione devono invece ubbidire alla terza legge di Keplero la quale impone che quanto più un corpo è lontano dal centro di rotazione tanto più lentamente si muova. Ad esempio la Terra impiega un anno a girare intorno al Sole mentre Giove, che è più distante dal centro del sistema solare, ha un periodo di rivoluzione di 12 anni e Plutone, l’ultimo pianeta del sistema solare, impiega 250 anni a completare un’intera rivoluzione. Quindi i pianeti che si trovano alla periferia del sistema solare si muovono più lentamente rispetto a quelli che stanno più vicini al centro.

Quando fu possibile verificare la velocità con cui ruotano le galassie a spirale si notò che le stelle che si trovavano alla periferia si muovevano con una velocità molto maggiore di quella attesa in base alle leggi di Newton e di Keplero. Nel corso degli anni Ottanta del secolo scorso ulteriori osservazioni hanno mostrato che questa anomalia nel moto di rotazione delle galassie è un fenomeno molto comune che riguarda tutte le galassie dell’Universo.

Le irregolarità osservate non possono che avere un’unica spiegazione: in tutte le galassie ci deve essere più materia di quella che si vede con gli strumenti di osservazione, la quale non emette radiazioni elettromagnetiche ma è in grado di esercitare un campo gravitazionale e quindi di agire sulla materia circostante.

 

LE IPOTESI SULLA COSTITUZIONE DELLA MATERIA OSCURA

Oggi vi sono prove schiaccianti del fatto che oltre il 95% dell’intera massa dell’Universo è costituita di materia invisibile ed è proprio questa materia oscura, che determina il moto delle galassie negli ammassi di galassie, il moto delle stelle nelle galassie e in definitiva il moto dell’intero Universo. Sebbene la materia oscura (a volte detta “massa mancante”, ma impropriamente perché in realtà ciò che manca è la luce, non la massa) sia la più comune forma di materia nell’Universo, non si sa ancora di cosa sia fatta anche se sono state avanzate per essa diverse ipotesi interessanti.

La cosa più semplice sarebbe quella di supporre che si tratti di forme convenzionali che, per un motivo o per un altro, semplicemente non risplendono. Si era pensato ad esempio a buchi neri, a stelle brune, a pianeti, a nuvole di gas o ad altri oggetti celesti fatti di materia ordinaria. Si parla in questo caso di materia oscura “barionica” (dal greco barios = peso; neutrone e protone sono i due esempi più familiari di barioni). Vi sono però argomenti teorici validi e coerenti derivanti dal campo della fisica delle particelle e dell’astrofisica che escludono una tale possibilità. In verità una certa quantità di materia oscura composta da materia ordinaria effettivamente esiste, ma in ogni caso non è sufficiente a giustificare tutta la massa mancante.

Attualmente gli astrofisici sono convinti che il grosso della materia oscura sia qualcosa di completamente diverso dal materiale che conosciamo sulla Terra e in questa direzione sono infatti rivolte le ricerche. Essa dovrebbe essere fatta di particelle esotiche (ossia non ancora scoperte) la cui esistenza è resa necessaria per spiegare la formazione delle strutture cosmiche quali le galassie e i loro ammassi. Fra la materia oscura non ordinaria si distingue la materia oscura calda e la materia oscura fredda. La distinzione fra questi due tipi di materia oscura si opera in base alla velocità che le particelle avevano nei primi istanti di vita dell’Universo.

La composizione della materia oscura fredda dovrebbe comprendere una serie di particelle dai nomi misteriosi e incomprensibili (assioni, fotini, ecc.) che si muovono con velocità media abbastanza bassa perché hanno una massa consistente (mediamente doppia di quella del protone, ma senza carica elettrica). Esse prendono il nome di WIMPs (da Weakly Interacting Massive Particles, particelle massicce interagenti debolmente), ma per le loro caratteristiche vengono anche chiamate neutralini.

La materia oscura calda dovrebbe essere costituita da particelle con velocità media altissima perché di massa estremamente piccola. Per questo tipo di materia il candidato migliore sembra essere il neutrino, una particella elementare con carica elettrica nulla e massa molto piccola (forse un decimillesimo di quella dell’elettrone).

Gli esperimenti finalizzati a misure dirette di WIMPs come di altre particelle esotiche sono estremamente difficili perché la materia è pressoché trasparente ad esse e quindi la probabilità che queste diano luogo ad un fenomeno misurabile in laboratorio è piccolissima. Per ridurre il fondo di radiazione ambientale gli apparati sperimentali debbono essere realizzati con materiali ben schermati dalla radiazione cosmica. Un ambiente ideale per questo tipo di ricerca sono i Laboratori Nazionali sistemati sotto il Gran Sasso, che l’efficiente difesa dall’azione di campi elettrici e magnetici esterni rendono sede unica per esperimenti particolarmente complessi e delicati.

Per completezza di informazione dobbiamo far presente che il metodo concettualmente più semplice per dimostrare l’esistenza di queste particelle esotiche sarebbe quello di produrle in laboratorio. Il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra di recente entrato in funzione dovrebbe riuscire a centrare l’obiettivo.

 

ENERGIA OSCURA

Fin dagli anni Venti del secolo scorso si sapeva che l’Universo si stava espandendo ma si era sempre supposto che questo processo di allontanamento delle galassie rallentasse per effetto della forza di gravità prodotta dalla materia in esso contenuta. Da una decina d’anni a questa parte i cosmologi, osservando lontane esplosioni stellari, si sono invece resi conto che l’Universo sta espandendosi ad una velocità sempre crescente. Se effettivamente l’espansione sta accelerando l’Universo deve contenere qualche forma sconosciuta di energia o di materia la cui gravità respinge anziché attrarre. In cosa consistono queste forme supplementari di energia o di materia?

L’idea che nell’Universo possa essere presente una forma di energia oscura iniziò quando Einstein, dopo aver formulato nel 1916 la sua teoria generale della relatività, si rese conto che l’attrazione gravitazionale della materia prevista dalla sua stessa teoria a lungo andare avrebbe causato il collasso dell’Universo mentre egli, come la maggior parte degli scienziati del tempo, postulava un Universo statico e stabile. Il fisico tedesco perciò aggiunse alle sue equazioni un termine, chiamato “costante cosmologica”, che avrebbe dovuto rappresentare una forza repulsiva sufficiente per mantenere stabile l’Universo. Cinque anni più tardi però abbandonò l’idea, che definì l’errore più grave della sua vita.

Frattanto alcuni fisici, elaborando le equazioni previste dalla teoria della relatività generale, si resero conto che l’esistenza di un Universo infinito, omogeneo e statico era impossibile: l’Universo era instabile e doveva espandersi o contrarsi. Nello stesso tempo venivano anche fornite le prime prove osservative, parziali e incerte, dell’espansione cosmica la cui scoperta definitiva venne effettuata nel 1929 dall’astronomo statunitense Edwin Hubble. Egli non solo determinò la velocità ma anche la distanza delle galassie vicine che in quegli anni molti astronomi ancora ritenevano fossero nebulose interne alla Via Lattea e non sistemi indipendenti di stelle.

Successivamente Hubble scoprì l’esistenza di una relazione semplice, di proporzionalità diretta, fra distanza e velocità: una galassia che si trova ad una distanza doppia rispetto ad un’altra, si allontana da questa ad una velocità due volte più grande. Il fenomeno dimostra senza ombra di dubbio che l’Universo non è stabile, ma in espansione.

In quel momento il termine cosmologico di Einstein sembrava destinato all’oblio, ma è riapparso quando gli astrofisici lo identificarono con l’energia oscura. Fra le due entità vi sono però delle differenze sostanziali: quella di Einstein si basava sul pregiudizio che l’Universo fosse fisso e immutabile ed inoltre che l’energia ad esso associata non dipendesse dalla posizione e dal tempo, tanto che il termine correttivo prese il nome di “costante cosmologica”. L’energia oscura, postulata di recente dagli astronomi, non ha invece un valore costante perché la velocità di espansione ha cambiato di intensità nel tempo. Per di più il termine cosmologico di Einstein entra in conflitto con le previsioni delle attuali teorie quantistiche sulle particelle elementari, le quali prevedono che possa essersi generata dal vuoto una forza repulsiva con effetti simili alla costante cosmologica.

Le leggi della meccanica quantistica, combinate con le leggi della relatività, ci dicono che lo spazio vuoto non è per nulla vuoto, esso invece è pieno di particelle latenti di ogni genere le quali compaiono e subito dopo scompaiono senza dare il tempo della loro registrazione. Pertanto nessuno ha mai visto direttamente queste particelle e tuttavia si è osservato che esse effettivamente esistono perché lasciano un segno tangibile sulla materia ordinaria, come ad esempio quello di alterare i livelli energetici degli atomi.

Se le particelle virtuali che emergono dallo spazio vuoto possono modificare le proprietà degli atomi esse forse possono influire pure sull’espansione dell’Universo. I fisici hanno dimostrato che l’energia delle particelle virtuali dovrebbe agire esattamente come quella associata ad una costante cosmologica. Vi è però una complicazione.

Secondo le osservazioni dirette l’energia oscura che scaturisce dal vuoto è pari a zero oppure è molto piccola, invece secondo i calcoli le fluttuazioni quantistiche del vuoto porterebbero a generare un’energia il cui valore è 120 ordini di grandezza (10120) più grande di quello osservato. Se fosse reale una cosa del genere l’Universo dovrebbe espandersi ad una velocità inimmaginabile e ad esempio lo spazio fra i miei occhi e lo schermo del computer che mi sta difronte si dovrebbe espandere così rapidamente che la luce proveniente dal quadro luminoso non raggiungerebbe mai i miei occhi. Il fatto che riesco a vedere non solo alla distanza a cui è posto il computer ma fino alle regioni più remote dell’Universo pone un limite ancora più stringente alla energia del vuoto che deve essere di quasi 120 ordini di grandezza inferiore alla stima sopra menzionata. Una simile discrepanza fra teoria e osservazione è diventato oggi il problema più delicato e urgente della fisica, dietro il quale si nasconde una svolta decisiva nella nostra comprensione del mondo macro e microscopico.

Ultimamente sono emerse varie ipotesi alternative all’energia del vuoto, ma nessuna per il momento è riuscita ad imporsi sulle altre. Una di queste ipotizza un nuovo tipo di materia oscura con proprietà radicalmente diverse da quelle della materia ordinaria e di quella oscura trattata in precedenza. Essa emerge dalle equazioni della relatività generale le quali mostrano che la gravità non dipende solo dalla massa (e dall’energia) ma anche dalla pressione. L’energia oscura deriverebbe quindi da un tipo di materia, a cui, poiché si ignora cosa sia, è stato assegnato il nome aristotelico di “quintessenza”. Essa possiederebbe proprietà radicalmente diverse da quelle che attribuiamo alla materia ordinaria. Se ad esempio i comuni barioni e la materia oscura ridotti allo stato gassoso venissero posti all’interno di un palloncino questo tenderebbe ad espandersi per effetto della pressione esercitata da quella materia. Se nel palloncino venisse invece posta la materia che genera l’energia oscura esso tenderebbe a contrarsi. In altri termini la materia normale e oscura crea una pressione positiva mentre l’energia oscura crea una pressione negativa che genera una gravità repulsiva, invece che attrattiva: questa a sua volta accelera l’espansione cosmica, invece che rallentarla.

Un Universo composto solo di materia normale non può espandersi perché la gravità è sempre una forza attrattiva e nemmeno aggiungendo la materia oscura a quella ordinaria si perviene ad un Universo piatto come prevede la teoria inflazionaria. Dalle osservazioni si dovrebbe quindi concludere che il Cosmo non è piatto ma aperto, nel qual caso si renderebbe necessario modificare o scartare la teoria inflazionaria. Ma se l’Universo fosse realmente piatto i suoi costituenti principali non potrebbero essere solo materia visibile, materia oscura e radiazione. L’osservazione della sua espansione accelerata presuppone, come abbiamo detto, la presenza in esso di una forma supplementare di materia.

Integrando quanto esposto in precedenza possiamo concludere dicendo che secondo le valutazioni più accreditate solo il 5% del totale della materia dell’Universo si trova sotto forma di materia luminosa, il 23% è costituito da materia oscura di cui una piccola frazione è composta di atomi e molecole ordinarie e il rimanente 72% è costituito da un’entità non identificata che viene chiamata energia oscura. Se sommiamo la materia barionica, la materia oscura e quella che genera l’energia oscura otteniamo esattamente la massa necessaria perché si crei un Universo piatto e si salvi in questo modo il modello di Universo inflazionario.

Prof. Antonio Vecchia

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