L'astronomo risponde Universo

Oscura espansione

Mi sono fatto l’idea di un universo in espansione governata da energia oscura che prevale sulla forza di gravità. L’energia oscura è stimata valere il 70% della composizione dell’universo. A oggi è una mera ipotesi (il fattore Lambda di Einstein) e non c’è alcuna evidenza della sua esistenza, se non l’espansione accelerata dell’universo. Domanda: ci sono in corso ricerche su questo tema?

Stefano

L’espansione accelerata dell’universo è l’effetto più importante dell’esistenza dell’Energia Oscura, ma non è l’unico.
Già prima della scoperta dell’accelerazione cosmica i teorici si erano accorti che qualcosa non quadrava nella crescita delle strutture cosmiche (ammassi e superammassi di galassie). Inoltre le teorie che spiegano la fisica delle particelle ammettono un’energia associata al vuoto, anche se i calcoli forniscono un valore eccessivo per questa energia.
L’indicazione maggiore, però, venne negli anni Novanta da uno tra i più eleganti esperimenti di cosmologia degli ultimi anni, guidato da Paolo de Bernardis, poi confermato dai risultati dei satelliti WMap e Planck.
Le chiedo, ora, la pazienza di seguirmi nel ragionamento. I calcoli sono complicati ma cercherò di raccontare il principi del ragionamento.
Per prima cosa dobbiamo ricordarci che, secondo la Relatività Generale, la somma della massa e dell’energia in un punto ne determinano la geometria. Massa ed energia si possono sommare per la loro equivalenza data dalla formula \(E=mc^2\).
In pratica, viene individuata una densità critica (pari a 6 atomi per metro cubo) tale per cui, se la densità di massa-energia equivale a quella critica, vale la geometria euclidea, ovvero quella che studiamo a scuola (per esempio la somma degli angoli interni di un triangolo vale 180 gradi). Se invece la densità cosmica è maggiore di quella critica, la somma degli angoli è maggiore di 180 e se è minore, la somma degli angoli sarà più piccola.
Se contiamo la massa sia luminosa in stelle che quella dovuta alla materia oscura che ci circonda, la densità raggiunge un valore del 25% della densità critica, per cui concluderemmo da questo dato che la geometria vigente sia quella in cui la somma degli angoli di un triangolo sia minore di 180 gradi.
Però abbiamo la radiazione di fondo di cui abbiamo un’immagine. Essa dista 45 miliardi di anni luce e ci fornisce l’immagine di come era l’Universo a circa 350.000 anni dal Big Bang.

Radiazione cosmica di fondo: la mappa realizzata da WMAP – via commons

Cosa sono i puntini rossi? Sono le galassie e gli ammassi di galassie che si stanno formando. La materia oscura ha creato vari “centri di attrazione” verso i quali il gas
sta cadendo, ma essendo un gas sufficientemente denso, questo genera onde di compressione simili a quelle sonore. Per fare un’analogia pensiamo alle onde concentriche che si generano nell’acqua di uno stagno dopo aver gettato un sasso.
Noi, però, sappiamo calcolare la dimensione di questo “cerchio”, corrispondente grosso modo alle dimensioni medie dei punti rossi.
In questo caso possiamo pensare di avere un enorme triangolo di cui sappiamo la base (il diametro del cerchio), la sua altezza (la distanza del fondo cosmico) e vogliamo calcolare l’angolo al vertice che cade nei nostri strumenti. Se vale la geometria come la studiamo a scuola (per cui la somma degli angoli di un triangolo vale 180 gradi), tale angolo deve valere 1 grado: ed è quello che misuriamo.
Questo è in aperto contrasto con quello che dovremmo vedere (0,5 gradi) se la geometria fosse quella attesa dal conteggio che avevamo fatto della materia circostante. Quindi questo ragionamento geometrico ci dice che la densità della materia-energia deve essere uguale (il 100%) a quella critica, mentre il conteggio della materia più materia oscura ci dà solo poco più di due decimi (25%) di quella critica.
E allora?
Allora supponiamo che ben (100-25)% = 75% sia sotto forma di energia, cioè energia oscura. Notiamo che questo è un risultato che viene da una fonte indipendente rispetto a quello dell’accelerazione cosmica (basata sulle supernove e sulla legge di Hubble) ma fornisce valori consistenti.
Quindi, in conclusione, non c’è solo il fronte dell’accelerazione ma si tenta di caratterizzare l’energia oscura in molti altri aspetti indipendenti.

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Scritto da

Sandro Bardelli Sandro Bardelli

Ricercatore astronomo presso l’Istituto Nazionale di Astrofisica-Osservatorio Astronomico di Bologna. Il suo ambito di ricerca è la cosmologa osservativa, la struttura su grande scale dell’Universo e l’evoluzione delle galassie, tramite grandi survey spettroscopiche e immagini da satellite. Ha usato i maggiori telescopi ottici, radio e nella banda X e ha lavorato all’Osservatorio di Meudon/Paris, all’Osservatorio di Trieste eall’ESO (Germania). È autore di più di 200 pubblicazioni scientifiche. Inoltre è il responsabile per la didattica e la divulgazione presso l’Osservatorio Astronomico di Bologna e cura eventi, lezioni e corsi di aggiornamento per insegnanti.

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