cosmologia

Una nuova dettagliatissima mappa di milioni di galassie sta facendo molto discutere i cosmologi, cioè chi si occupa di studiare l’evoluzione dell’Universo nel suo insieme, e potrebbe portare a una profonda revisione delle teorie finora formulate per spiegare il funzionamento del cosmo. “Potrebbe” è la parola chiave, perché i dati sono ancora preliminari e serviranno molte altre misurazioni, ma i primi indizi hanno comunque sorpreso gli esperti e soprattutto chi studia la cosiddetta “energia oscura”, che secondo le teorie più condivise ha un ruolo fondamentale nel fare espandere sempre più velocemente l’Universo. Gli indizi sembrano suggerire che questa misteriosa energia stia lentamente diminuendo e non sia quindi costante.La mappa è stata presentata questa settimana dal Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), una importante collaborazione scientifica per misurare l’effetto dell’energia oscura sull’espansione dell’universo. Contiene un’enorme quantità di dati e dal confronto di diverse osservazioni sembra confermare che l’energia oscura sia diminuita nel corso di miliardi di anni. I gruppi di ricerca coinvolti nel progetto hanno chiarito che al momento non ci sono dati tali da affermare di avere effettuato una nuova scoperta, ma che ci sono comunque indizi a tratti sorprendenti da approfondire.
Materia oscura ed energia oscuraPer capire le implicazioni di un eventuale ripensamento dell’energia oscura è necessario fare qualche passo indietro e ripartire dalla materia, cioè ciò di cui siamo fatti e che ci circonda: proprio perché è ciò che siamo, la vediamo di continuo al punto da non farci quasi caso. Nel nostro percepito la materia è tantissima, ma in termini cosmologici è relativamente poca: si stima che costituisca meno del 5 per cento dell’Universo conosciuto. Tutto il resto, secondo le teorie più discusse, è formato per il 25 per cento circa di materia oscura e per il 70 per cento di energia oscura.

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Come suggerisce il nome, entrambe sono completamente invisibili sia ai nostri occhi sia agli strumenti, al punto da non sapere nemmeno di preciso che cosa siano né come funzionino. Siamo però abbastanza certi che esistano, perché in loro assenza non si potrebbero spiegare alcuni dei fenomeni che invece riusciamo a osservare e che conosciamo ormai piuttosto bene. Detta in altre parole: le teorie per spiegare come funziona l’Universo hanno bisogno sia della materia oscura sia dell’energia oscura per stare in piedi.
Rappresentazione schematica di che cosa si intende per “materia” in rapporto alle altre forme “oscure” ipotizzate (ESA)
Quando nel Novecento si iniziarono a calcolare le caratteristiche dell’Universo e ad applicare modelli teorici per spiegarne le peculiarità, infatti, divenne evidente che la quantità di materia che ci è visibile non era sufficiente per spiegare il modo in cui è strutturato e rimane insieme l’Universo.
Per esempio, la quantità di materia osservabile di una galassia (cioè un grande insieme di stelle, pianeti e materiale interstellare soprattutto sotto forma di gas e polveri) è relativamente poca e non è sufficiente per far sì che le stelle che ne fanno parte restino insieme senza sparpagliarsi per l’Universo (c’è una stretta relazione tra massa e interazioni gravitazionali che tengono vicini i corpi). Uno dei modi per spiegare questa stranezza è ipotizzare che ci sia qualcos’altro dentro e intorno alle galassie che ne favorisce la coesione, qualcosa che non emette o riflette luce e che non si fa rivelare, ma che comunque esiste e aggiunge ulteriore massa: la materia oscura.
La sua esistenza aiuta a spiegare molto, ma non tutto. Circa un secolo fa si scoprì che l’Universo si sta espandendo e circa 70 anni dopo fu anche scoperto che l’Universo è in una fase di espansione accelerata, cioè che la velocità a cui si sta espandendo aumenta nel tempo. Fu una scoperta rivoluzionaria e inattesa, perché contraddiceva alcune parti del modello teorizzato fino ad allora per descrivere l’Universo, secondo il quale la gravità avrebbe via via portato l’espansione a rallentare.
A un quarto di secolo di distanza da quella importante scoperta, non sappiamo che cosa determini l’accelerazione, ma ci sono comunque diverse teorie. Una delle più condivise ipotizza l’esistenza dell’energia oscura, cioè di un particolare tipo di energia che contrasta in qualche modo la gravità e fa sì che l’Universo acceleri nella propria espansione. È una forma di energia ipotetica che sarebbe distribuita omogeneamente nello spazio e che come nel caso della materia oscura non riusciamo a rilevare direttamente.
ΛLa presenza dell’energia oscura è prevista nel modello Lambda-CDM, considerato il “modello standard” della cosmologia, cioè quello attualmente più adatto e semplice per provare a spiegare il funzionamento su grande scala dell’Universo nella sua espansione accelerata. Il nome deriva dalla costante cosmologica, indicata con la lettera Λ (lambda) dell’alfabeto greco, e inizialmente inserita da Albert Einstein nelle proprie equazioni per la teoria della relatività generale ipotizzando un universo statico. Oggi la costante cosmologica ha un ruolo diverso ed è usata per provare a spiegare l’accelerazione dell’espansione dell’Universo.
Rappresentazione schematica delle principali fasi di evoluzione dell’Universo (NASA)
Più questo si espande, più la materia e l’energia che riusciamo a osservare diventano meno dense perché si “spalmano” in uno spazio sempre più grande. Questa riduzione della loro densità dovrebbe essere accompagnata da un rallentamento nell’espansione dell’Universo e non da una sua accelerazione, come è stato invece osservato.
C’è però una cosa che non si diluisce con l’espansione dello spazio e questa è lo spazio stesso: se una stanza inizia a espandersi, tutto al suo interno sembra allontanarsi e quindi diluirsi, a parte lo spazio all’interno della stanza stessa. Ipotizzando che il vuoto che costituisce lo spazio abbia una propria energia, all’aumentare del vuoto aumenta l’energia e di conseguenza l’accelerazione nell’espansione. Questa energia del vuoto su scala cosmologica può fornire una spiegazione dell’energia oscura.

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Ovviamente studiare qualcosa che non è direttamente misurabile è molto difficile, ma si possono effettuare analisi indirette raccogliendo dati estremamente precisi su ciò che invece possiamo osservare e misurare, confrontandolo poi con ciò che ci si aspetta sulla base dei modelli teorici. Negli ultimi anni i sistemi di misurazione sono migliorati enormemente e questo ha permesso di avere dati molto più precisi di un tempo.
DESITra i migliori oggi disponibili ci sono quelli delle osservazioni effettuate da DESI con il telescopio Mayall di Kitt Peak in Arizona (Stati Uniti). Il telescopio è stato attrezzato con un sistema di acquisizione basato su 5mila sensori a fibra ottica, ciascuno dei quali tiene traccia di specifiche galassie lontanissime, talmente lontane da potere osservare come si presentavano miliardi di anni fa, perché la loro luce impiega moltissimo tempo per raggiungerci. In un certo senso DESI vede quindi nel passato e soprattutto consente di confrontare lo spostamento relativo delle galassie dalle loro vicine e da noi in base all’epoca in cui effettivamente si trovano (più sono distanti più sono epoche antiche), permettendo in questo modo di calcolare come e quanto si stia espandendo l’Universo. Catalogarle in base a determinate epoche è essenziale, altrimenti si confronterebbero gli spostamenti tra galassie di epoche diverse.

Grazie alle osservazioni compiute da DESI tra la primavera del 2021 e quella del 2022 è stato possibile mappare con grande precisione la posizione di 6mila galassie per come apparivano tra i 2 e i 12 miliardi di anni fa, sui circa 13,8 miliardi di età stimata dell’Universo. Sono state suddivise in sette grandi epoche e i gruppi di ricerca sono poi andati a vedere se ci fosse una corrispondenza tra quanto osservato e quanto previsto da Lambda-CDM, confrontando i risultati anche con quelli ottenuti da altri esperimenti.
I confronti hanno portato a sospettare che l’energia oscura non sia costante nel tempo, ma subisca oscillazioni e che stia diminuendo. I risultati hanno però una rilevanza statistica ancora relativamente poco affidabile, a indicazione del fatto che potrebbero esserci minuscoli errori di misurazione che portano a interpretare in modo scorretto alcuni risultati. Per questo motivo i gruppi di ricerca di DESI hanno raccolto molti altri dati ancora da analizzare, che potranno poi essere confrontati con quelli raccolti da altri esperimenti che si occupano di energia oscura, come la sonda Euclid dell’Agenzia spaziale europea.
È quindi presto per arrivare a qualche conclusione, ma l’ipotesi che l’energia oscura si stia indebolendo è affascinante perché implicherebbe che non può essere considerata una costante cosmologica. Se diminuisse a sufficienza, l’accelerazione cosmica si interromperebbe e sotto l’effetto della gravità l’espansione si trasformerebbe in una lenta contrazione: in questo caso l’Universo tornerebbe quindi a contrarsi dopo essersi espanso, come postulato da alcune teorie sulla sua ciclicità.
Saranno necessarie molte altre misurazioni per avere qualche conferma o smentita, ma il grande fermento intorno ai primi risultati di DESI ricordano ancora una volta come siano proprio le grandi incertezze a portare a nuovi progressi nella scienza, rimettendo se necessario in discussione tutto, quando ci sono buoni dati per farlo. LEGGI TUTTO