La materia oscura forse non esiste

QUANTA MATERIA NELL’UNIVERSO?

La materia oscura è uno dei misteri più fitti che da alcuni decenni tormenta gli astronomi di tutto il mondo. Esiste veramente? E, se esiste, da cosa è costituita? L’idea che nell’Universo debba esserci della materia non visibile nasce nei primi anni Trenta del secolo scorso, quando l’astronomo statunitense di origine svizzera, Fritz Zwicky, notò che le galassie che formano il cosiddetto ammasso della Chioma di Berenice si muovevano troppo in fretta per non disperdersi nello spazio. Risulta infatti che le galassie facenti parte di un ammasso, così come le stelle facenti parte di una galassia, possono muoversi, ma non tanto da svincolarsi dalla forza gravitazionale la quale le trattiene all’interno della struttura.

Le leggi della fisica sono in grado di stabilire quanta materia debba contenere un sistema per bilanciare i movimenti degli elementi che lo compongono al fine di impedire la loro dispersione. Ebbene, Zwicky calcolò che il materiale visibile nell’ammasso che stava studiando era almeno 20 volte inferiore a quello che avrebbe dovuto essere per tenere il gruppo compatto.

Successivamente fu osservato un ammanco di materia un po’ in tutte le grandi strutture che compongono il Cosmo: galassie, ammassi e superammassi di galassie. Ciò convinse gli astronomi che nell’Universo, nel suo complesso, dovesse esserci della materia non visibile ma non si riuscì mai a capire di che tipo di materia potesse trattarsi. La soluzione più semplice era quella di ritenere che ciò che non si vedeva fosse materia comune semplicemente poco luminosa perché la si potesse osservare con gli strumenti a disposizione, quindi avrebbe potuto trattarsi, ad esempio, di pianeti, stelle nane, gas freddi, buchi neri e così via. Questi oggetti celesti potrebbero effettivamente esistere ma non nella misura richiesta: si è calcolato, utilizzando il modello cosmologico standard e alcune osservazioni di dettaglio relative alla radiazione di fondo a 3K, che la materia ordinaria non visibile potrebbe essere anche dieci volte superiore a quella visibile ma tuttavia non ancora sufficiente per rappresentare la massa mancante. Al resto è stato dato il nome di “materia oscura” sia per la natura ignota, sia per la difficoltà che si incontrava nella sua individuazione. Essa avrebbe potuto sussistere sotto forma di strutture subatomiche come quark e neutrini, o di particelle esotiche, le cosiddette WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), enti ad interazione debole previsti dalla teoria, peraltro mai individuati dai fisici nella realtà.

A peggiorare le cose di recente è stato avanzato il sospetto che nell’Universo vi possa essere qualcos’altro oltre alla materia ordinaria (luminosa e non) e a quella oscura, a cui è stato assegnato il nome provvisorio di “energia oscura” per gli effetti che sembra produrre sulla massa complessiva dell’Universo. Il dubbio scaturisce dai dati raccolti dalla cosiddetta missione BOOMERanG, acronimo di Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics. Si tratta di una rappresentazione dello sfondo cosmico che mostra la distribuzione della materia dell’Universo primordiale al momento della sua formazione, poco dopo il Big Bang. Per ottenere questa immagine gli scienziati di vari paesi impegnati nella ricerca si sono serviti di un telescopio sensibile alle microonde, sistemato su di un pallone sonda in volo a 40 kilometri di quota nei cieli dell’Antartide. Il risultato del loro lavoro suggerisce che nell’Universo dovrebbe esserci materia in quantità tale da rendere lo spazio piatto. Vediamo di cosa si tratta.

L’espansione cosmica susseguente al Big Bang è sempre decelerata a causa della attrazione gravitazionale fra gli oggetti massicci che compongono l’Universo ma l’entità del rallentamento dipende dalla quantità di materia in esso contenuta. Se la materia fosse molto abbondante essa frenerebbe più o meno rapidamente la spinta espansiva fino a costringere il Cosmo a contrarsi, mentre se fosse molto scarsa, il Cosmo stesso sarebbe destinato ad un’espansione indefinita. Ebbene, i dati disponibili indicano che la materia presente non è né troppa né troppo poca ma che la sua quantità è adeguata tanto da lasciare prevedere un rallentamento lento e graduale dell’espansione fino a ridursi a zero. Per analogia, nel primo caso possiamo pensare ad un razzo che dopo essere salito in cielo torni indietro attratto dalla gravità terrestre, nel secondo caso ad un razzo molto veloce che, insensibile al richiamo gravitativo, si allontani indefinitamente dalla Terra e nel terzo caso ad un razzo che, raggiunta una certa altezza, si fermi.

Ora, se lo spazio appare piatto ciò vuole dire che nell’Universo è contenuta una precisa quantità di materia di cui quella comune, formata da atomi costituiti da protoni, neutroni ed elettroni è solo una minima parte, mentre l’insieme della materia oscura e dell’energia oscura dovrebbe rappresentare addirittura il 96% del totale.

Ricapitolando, nell’Universo la materia visibile composta dai normali elementi chimici è appena lo 0,5% del totale; un altro 3,5% sarebbe dato da materia dello stesso tipo ma non luminosa; a ciò si deve aggiungere un 26% di materia oscura esotica e un altro 70% della cosiddetta energia oscura. Prima di procedere cerchiamo di capire meglio cosa sia l’energia oscura.

ENERGIA OSCURA

Negli ultimi anni del secolo scorso una serie di osservazioni eseguite con strumenti molto sensibili ha convinto i cosmologi che la materia normale e quella oscura corrispondono ad appena un terzo di tutto quello che dovrebbe esserci nell’Universo. Quello che manca, come abbiamo detto, è stato chiamato “energia oscura” e rappresenterebbe una forma di energia, non si sa bene da cosa originata, ma fornita di una proprietà piuttosto originale: la sua gravità non attrae ma respinge, con la conseguenza che l’Universo invece che rallentare, come dovrebbe, sta accelerando la sua espansione.

L’idea che possa esserci una forma di energia che si oppone alla gravità non è nuova: nel 1917, dopo la formulazione della sua teoria della relatività generale che prevedeva un modello di Universo in contrazione a causa della mutua attrazione gravitazionale esercitata dalle masse presenti in esso, nella convinzione (fra l’altro condivisa dalla maggior parte degli scienziati del tempo) che fosse fisso e immutabile, Albert Einstein si inventò una forza antagonista che chiamò costante cosmologica: essa avrebbe avuto la funzione di opporsi alla gravità fino al punto di rendere statico l’Universo. La fuga delle galassie (il famoso red shift) osservata per la prima volta da Edwin Hubble nel 1929 costrinse Einstein a ripudiare la sua idea così da definire quell’artifizio il più grave errore della sua vita.

Forse però quell’intuizione non fu un errore visto che i cosmologi non hanno mai smesso di pensare ad una qualche forma di energia che si opponesse a quella gravitazionale. Ora, se il valore della costante cosmologica ideata da Einstein fosse solo un po’ più grande di quanto è necessario per fermare la naturale contrazione dell’Universo, esso supererebbe quello conseguente all’attrazione della materia e l’Universo, invece che immobile come cercava di rappresentarlo il fisico tedesco, sarebbe in accelerazione come in effetti sembrano indicare le recenti misure eseguite su particolari stelle presenti in galassie molto lontane. La repulsione gravitazionale risolverebbe fra l’altro anche il problema dell’età dell’Universo che in seguito ad alcuni calcoli fondati sulle misure della velocità di espansione e sul suo graduale rallentamento sarebbe di soli 12 miliardi di anni; vi sono invece prove che alcune stelle sono vecchie di 15 miliardi di anni. Ammettendo un aumento della velocità di espansione, l’età dell’Universo sarebbe in accordo con quella dei corpi celesti che contiene.

Ma da che cosa potrebbe essere costituita questa misteriosa energia oscura? Gli astrofisici all’inizio avevano pensato ad una specie di energia del vuoto distribuita in modo uniforme nel tessuto stesso dell’Universo e presente anche quando da esso fosse stata tolta ogni cosa. Questa forma di energia è prevista dalla meccanica quantistica (la teoria che spiega il comportamento delle particelle subatomiche) ed è la stessa invocata dal principio di indeterminazione di Heisenberg per fare sì che emergessero dal nulla coppie di particelle virtuali.

Ogni forma di energia, come suggerisce la celeberrima equazione di Einstein (E=mc²), ha massa e quindi ha un effetto gravitazionale su ciò che le sta intorno solo che, nel caso dell’energia del vuoto, questo effetto è opposto a quello della materia la quale, come si sa, attrae e quindi rallenta l’espansione. Naturalmente l’attività di accelerazione nell’Universo primordiale avrebbe dovuto essere minima per non interferire con la formazione di stelle e galassie che in caso contrario non si sarebbero potute formare ma in seguito, dopo il lungo periodo di rallentamento, conseguente alla gravità prodotta dalla materia ordinaria ancora molto densa, l’energia del vuoto avrebbe preso il sopravvento sull’altra e l’Universo avrebbe cominciato ad accelerare l’espansione.

Attualmente, oltre all’energia del vuoto, i cosmologi pensano anche a qualche cosa di diverso che hanno chiamato “quintessenza” con chiara allusione al quinto elemento di Aristotele: quell’etere splendente ed eterno che avrebbe costituito i corpi celesti perfetti (gli altri quattro elementi, quelli che costituivano il nostro pianeta corrotto e imperfetto, erano terra, acqua, aria e fuoco). La quintessenza sarebbe quindi una quinta forza da aggiungersi alla gravitazionale, all’elettromagnetica, alla forte e alla debole che interagisce con la materia ed evolve nel tempo aumentando gradualmente di intensità.

Non sappiamo esattamente di cosa si tratti ma sappiamo che la quintessenza è un tipo di materia con proprietà radicalmente opposte a quelle della materia ordinaria e anche di quella oscura le quali, se ad esempio venissero immesse in un palloncino, tenderebbero a gonfiarlo; se nello stesso palloncino venisse invece racchiusa la quintessenza, questa tenderebbe a sgonfiarlo. La quintessenza è infatti caratterizzata da pressione negativa la quale darebbe luogo, spiegano i fisici, a “gravità repulsiva” ossia ad una forza che, come abbiamo detto, allontana i corpi invece che avvicinarli.

La quintessenza sembra essere favorita nel ruolo di energia oscura perché evolve nel tempo accrescendo gradualmente la sua efficacia mentre l’energia del vuoto è inerte e mantiene sempre la stessa densità. Ora, poiché la quintessenza produce una diversa accelerazione cosmica rispetto all’energia del vuoto, accurate misurazioni da effettuarsi con rilevatori di recente costruzione sulla luminosità di alcune supernove sistemate su galassie molto lontane potranno decidere in favore dell’una o dell’altra. Per le osservazioni si è scelto un tipo particolare di supernove estremamente brillanti (il loro splendore assoluto è 4 miliardi di volte superiore a quello del Sole) proprio perché possano essere osservate a grande distanza da due osservatori di nuova concezione posti l’uno in orbita e l’altro a terra.

Le supernove sono corpi celesti che rappresentano il residuo dell’esplosione di stelle gigantesche e gli astrofisici hanno le prove che la luminosità intrinseca (luminosità assoluta) di un tipo particolare di supernove, indicato con la sigla Ia, abbiano avuto tutte la medesima luminosità al momento in cui si sono formate. Quindi, dalla luce che si riesce a captare (luminosità apparente) si può risalire alla distanza a cui si trova la stella e di conseguenza al tempo in cui essa si è formata: in un Universo in espansione uniforme da quelle lontane dovrebbe arrivare poca luce, mentre quelle vicine dovrebbero apparire più luminose. Pochi anni fa gli astronomi avevano invece osservato che alcune supernove di tipo Ia apparivano meno luminose di quanto avrebbero dovuto essere in funzione della loro distanza non eccessiva. Al contrario, la supernova 1997 ff, esplosa 11 miliardi di anni fa, e scoperta di recente, appariva molto più luminosa del previsto. In altre parole le osservazioni mostravano che le supernove più vicine dovevano trovarsi più lontane del dovuto e quella più lontana più vicina del dovuto.

Questa osservazione anomala si può spiegare ammettendo che l’Universo nei suoi primi periodi di vita rallentò la sua espansione per effetto della forza di gravità che in quel momento doveva essere molto intensa a causa della presenza di materia molto concentrata e densa, mentre successivamente diradandosi la materia prese il sopravvento la gravità repulsiva che determinò una graduale e sempre più energica accelerazione dell’Universo.

IDEE ALTERNATIVE ALLA MATERIA OSCURA

Dopo tanti e inutili sforzi per il suo rilevamento infine gli astronomi si sono convinti che la materia oscura potrebbe anche non esistere. La presenza di questa enorme massa di materia non visibile si spiegherebbe infatti ammettendo la validità delle attuali leggi della fisica ma se queste leggi non fossero vere in ogni luogo o se non fossero state sempre le stesse nel corso della lunga storia evolutiva dell’Universo, si potrebbero giustificare le anomalie sul moto di stelle e galassie anche facendo a meno della materia oscura.

Basterebbe ad esempio modificare in modo opportuno le leggi di Newton che riguardano la gravitazione e la relazione che intercorre fra forza e accelerazione (secondo principio della meccanica) e il problema della materia oscura sarebbe eliminato. Non si tratterebbe di un cambiamento così sconvolgente come si potrebbe pensare: in fondo non è la prima volta che i fisici mettono le mani su alcune leggi fisiche fondamentali senza che qualcuno si scandalizzi per questo.

Una prima modifica delle leggi di Newton fu necessaria quando ci si rese conto che per descrivere il movimento dell’elettrone intorno al nucleo atomico serviva una nuova meccanica, in quanto quel movimento non poteva essere descritto utilizzando le stesse leggi che spiegano il moto di un sasso lanciato con una fionda o quello dei pianeti intorno al Sole. Successivamente Einstein adattò la dinamica newtoniana alle sue teorie della relatività: in quella ristretta il fisico tedesco alterò la seconda legge di Newton e in quella generale la legge di gravitazione universale.

Ora si ritiene che le stesse leggi di Newton sarebbero ulteriormente modificabili perché si è scoperto che l’accelerazione all’interno dei sistemi galattici è di molti ordini di grandezza inferiore a quella che agisce sui corpi a noi più vicini. Questa osservazione convinse il fisico israeliano Mordehai Milgrom che nel caso di un’accelerazione molto ridotta rispetto al normale risultava alterata la relazione che intercorre fra forza e accelerazione. La seconda legge di Newton stabilisce che la forza F che agisce su un corpo di massa m è direttamente proporzionale all’accelerazione a (F=m·a), ma quando l’accelerazione è molto piccola la forza diventerebbe proporzionale non alla semplice accelerazione, ma al suo quadrato.

Ora, se la forza che agisce sui corpi materiali è quella gravitazionale, l’accelerazione osservata nelle galassie e fra le galassie dovrebbe essere prodotta da una minore quantità di materia. In questo modo si verrebbe ad eliminare la necessità di una aggiunta di materia oscura negli spazi cosmici.

Cerchiamo ora di applicare questa ipotesi alla nostra galassia. In essa il grosso della materia è concentrato al centro e quindi in base alla dinamica newtoniana si dovrebbe osservare un movimento più lento delle stelle sistemate alla periferia rispetto a quelle più interne in analogia con quanto succede nel sistema solare dove i pianeti più esterni girano più lentamente di quelli interni. Nella nostra, ma anche in tutte le altre galassie a spirale, si nota invece un fatto anomalo e cioè che da una certa distanza dal centro in poi invece che diminuire progressivamente, la velocità delle stelle rimane costante. Per spiegare questa anomalia si è supposto che alla periferia della galassia esista una significativa quantità di materia non luminosa in grado di compensare la diminuzione della velocità osservata. Lo stesso risultato si otterrebbe però accettando l’ipotesi che la forza necessaria per impartire una certa velocità alle stelle sia inferiore a quanto richiesto dalla dinamica newtoniana.

Ma l’alternativa più promettente e audace alla materia oscura potrebbe essere la teoria della variabilità della velocità della luce. Le teorie cosmologiche più accreditate, a cominciare da quella dell’inflazione, si basano sul convincimento che alcune grandezze fisiche abbiano avuto sempre lo stesso valore. Fra queste vi è la velocità della luce: una costante che non è mai stata messa in dubbio anche perché essa sta alla base della relatività ristretta, una teoria che ha resistito egregiamente a tutti i tentativi di falsificazione.

La teoria dell’inflazione incontrò subito il favore degli astronomi perché risolveva una quantità di problemi che il modello standard del Big Bang non riusciva a spiegare. Fra questi vi erano la geometria piatta dell’Universo e la sua straordinaria omogeneità. Vediamo di cosa si tratta.

L’attuale ritmo di espansione ci consente di determinare, estrapolando a ritroso, le dimensioni che doveva avere l’Universo nel passato. Ad esempio si scopre che quando esso aveva un secondo di vita le sue dimensioni erano quelle di una sfera con un raggio di un anno luce (10.000 miliardi di kilometri), ma la luce nello stesso lasso di tempo poteva percorrere la distanza di solo un secondo luce cioè 300.000 km. In base a questi dati ci si chiese come faceva quell’Universo del passato a risultare estremamente omogeneo ed isotropo, quindi ad esempio fornito della stessa temperatura e densità e caratterizzato dalla stessa composizione chimica in ogni luogo. La luce è infatti il modo più veloce che esista per scambiare informazioni ma a quella velocità non poteva avere avuto il tempo per mettere a contatto tutte le parti di quell’immenso Universo e renderlo omogeneo. Il sistema escogitato per aggirare il problema era quello di immaginare una forte espansione dello spazio.

Se all’inizio della sua storia, mentre la luce viaggiava alla velocità di 300.000 kilometri al secondo, l’Universo si fosse espanso, dopo un secondo la luce avrebbe percorso più di 300.000 km. Per analogia si può considerare un’automobile che viaggia a 100 kilometri all’ora: dopo un’ora avrà percorso 100 kilometri, ma se nel frattempo la strada si fosse allungata come un elastico, è chiaro che dopo un’ora la nostra automobile, pur viaggiando a 100 km all’ora, avrebbe percorso più di 100 kilometri. La teoria inflazionaria postula proprio questo e cioè che l’Universo primordiale si sia espanso in misura tale che regioni a prima vista disgiunte in realtà siano state in connessione durante l’espansione inflazionaria in modo da raggiungere tutte insieme la stessa temperatura, la stessa densità e la stessa distribuzione della materia prima di trovarsi di nuovo separate alla fine dell’espansione esponenziale.

Lo stesso risultato si otterrebbe però immaginando che in quei tempi lontani la luce procedesse a velocità maggiore. Se infatti quando l’Universo aveva un secondo di vita la luce avesse viaggiato alla velocità di 10.000 miliardi di kilometri al secondo invece che 300 mila, essa avrebbe potuto percorrere l’Universo in lungo e in largo connettendo anche le parti più lontane di esso e rendendolo nel complesso uniforme.

La teoria della variabilità della luce presenta però un dettaglio non trascurabile che è costituito dalla mancanza assoluta di prove. Per il momento abbiamo solo la prova che nell’ultimo miliardo di anni la velocità della luce non è cambiata. Cosa sia successo prima di quella data non solo non sappiamo ma non sarà nemmeno facile individuare misure e osservazioni che ci possano fornire al riguardo qualche informazione affidabile.

Prof. Antonio Vecchia