Che cosa sono la materia e l’energia oscura?

I due grandi misteri dell’Universo sotto la lente di scienziati di grandissimo spessore

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La materia oscura e l’energia oscura sono due degli ingredienti base del nostro universo. Insieme occupano il 96% del cosmo. Ma non possono essere misurate direttamente. Eppure la loro influenza è immensa. Il destino dell’universo non è determinato da atomi e molecole: li conosciamo, ma sono solo una piccola percentuale della sua composizione. Negli ultimi decenni si è scoperto infatti che siamo immersi in un mistero: esiste (ma non sappiamo che cos’è) una materia oscura, che tende a far restringere il cosmo per effetto della gravità. E c’è anche un’altrettanto misteriosa energia oscura, che tende a farlo espandere sempre più rapidamente. Torna in mente uno sporadico, impercettibile collegamento con il famoso “etere” di aristotelica memoria. E torna anche alla mente il concetto fondamentale della Tabula Smaragdina di Ermete Trismegisto: “È vero, è vero senza errore, è certo e verissimo. Ciò che è in basso è come ciò che è in alto, ciò che è in alto è come ciò che è in basso, per fare il miracolo di una cosa unica”. Infatti le domande sull’estremamente piccolo e sull’estremamente grande sono in realtà connesse. Gli scienziati hanno capito solo recentemente che la materia “normale” di cui è composto l’universo, cioè i pianeti, le stelle, le galassie, può giustificare solo una piccola percentuale di ciò che è contenuto nell’universo. Quasi un quarto circa di tutto ciò che esiste nell’universo, è costituito di sostanza invisibile, cioè che non assorbe e non emette nello spettro elettromagnetico, non interagisce con questo, che è ciò che gli scienziati utilizzano per rilevare le cose. Ma allora, come possiamo dire che c’è? Lo possiamo grazie agli effetti gravitazionali. Nelle galassie, particolarmente nelle galassie a spirale, la maggior parte della massa delle stelle è concentrata nel centro della galassia stessa che ne tiene altre in orbita circolare, quindi abbiamo moltissime stelle che girano in cerchio. È facile intuire che le stelle più vicine al centro dovrebbero muoversi più velocemente di quelle all’esterno, cioè se misurassimo la velocità in funzione della distanza ci aspetteremmo che diminuisse al crescere della distanza dal centro della galassia. Ebbene, non è così! Quando gli scienziati hanno fatto i calcoli, hanno scoperto che la velocità rimane praticamente costante al crescere della distanza. E se è costante significa che le stelle all’esterno risentono di forze gravitazionali generate da materia che non vediamo. Quindi tutte le galassie sembrano essere avvolte in una nuvola di questa invisibile materia oscura, nuvola che si estende per un raggio molto più vasto della galassia. Inoltre tutte le galassie si muovono. È possibile calcolare quanta massa c’è in questi agglomerati misurando le velocità orbitali di queste galassie. Scopriamo che c’è molta più massa di quanta sia possibile giustificare con le galassie che vediamo, circa 10 volte maggiore sotto forma di materia oscura invisibile rispetto alla materia ordinaria. Ma come potremmo renderla più chiaramente individuabile? Grazie a quanto il genio di Einstein aveva predetto nella sua relatività generale. Da questa sappiamo che un campo gravitazionale devierà anche i raggi di luce, che non viaggeranno in una linea retta e quindi, come al tramonto riusciamo ancora a vedere il Sole quando è realmente passato oltre la linea dell’orizzonte, vedremo la galassia in una posizione diversa da quella reale. E come in una lente ottica i raggi vengono deviati dalla rifrazione del vetro, nel cosmo vengono deviati dalle masse di materia oscura. Infatti, dato che viviamo in uno spazio tridimensionale, i raggi in partenza sarebbero disposti come su di un cono, verrebbero deviati dall’ammasso per poi finire nell’occhio dell’osservatore che riceverà l’immagine di un anello (o di archi se la sorgente, la lente e l’osservatore non sono perfettamente allineati) che prende il nome di Anello di Einstein, come lo stesso aveva predetto. Quindi le strisce che gli astronomi analizzano sono in realtà immagini distorte di galassie molto più lontane. Questo è sufficiente per calcolare quanta massa ci deve essere nell’ammasso. Ma se nell’universo non ci fosse anche una forza che contribuisce a controbilanciare gli effetti della gravità, ci troveremmo tutti immersi in una singolarità. Ma ciò non è e le galassie e le spazio tutto si sta espandendo. Quindi, in contrapposizione alla forza di gravità della materia, ordinaria od oscura che sia, c’è innegabilente anche un’energia oscura, valutabile intorno al 70/75% di ciò che esiste nell’universo. Per capire le prove sull’energia oscura, dobbiamo considerare che lo spazio stesso si sta espandendo. La distanza fra le galassie sta aumentando ma non perché le galassie si allontanano le une dalle altre muovendosi in uno spazio immobile, ma perché lo spazio stesso si sta espandendo e quindi sono sempre più distanti. Ma dato che all’interno dello spazio troviamo materia che crea attrazione gravitazionale, questa tende a rallentarne l’espansione. Quindi l’espansione si fa più lenta col tempo. Nell’ultimo secolo le persone hanno dibattuto se l’espansione dello spazio debba continuare per sempre, oppure se debba rallentare, fermarsi, per poi cominciare a contrarsi di nuovo. Poco più di dieci anni fa due gruppi di fisici e astronomi hanno cominciato a misurare la velocità con cui l’espansione dell’universo stava rallentando. La risposta stupefacente ottenuta da questi esperimenti è che lo spazio si sta espandendo sempre più rapidamente. Non c’è nessuna teoria scientifica che giustifichi perchè questo accade. E’ successo esattamente l’opposto di quello che ci si aspettava. Quindi c’era un’energia, ma è un tipo di energia completamente diverso da tutto quello che conosciamo al momento. Viene chiamata energia oscura ed è la causa dell’espansione dello spazio. La materia oscura, per il fatto che crea attrazione gravitazionale, tende ad incoraggiare la crescita delle strutture galattiche e quindi si tenderanno a formare ammassi di galassie a causa di questa attrazione gravitazionale. Al contrario, l’energia oscura sta creando sempre più spazio tra le galassie. Fa in modo che l’attrazione gravitazionale tra di esse diminuisca, impedendo quindi la formazione di strutture. Gli scienziati stanno pensando a vari modi per cercare eventuali particelle di materia oscura; uno di questi è costruire dei rilevatori estremamente sensibili alle particelle di materia oscura che li attraversano e li urtano. Si stanno progettando telescopi specifici per affrontare le domande sulla materia oscura e sull’energia oscura, sia installati a terra sia sulle stazioni spaziali. Riusciranno a rispondere alle grandi domande che la fisica deve affrontare, a definire e conoscere la materia oscura e l’energia oscura?

di Fabio Bogi

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