La copertina di Science del 19 dicembre 2003, dedicata all’energia oscura. Crediti: Cameron Slayden/Science
I cosmologi chiamano energia oscura (in inglese, dark energy) una forma misteriosa di energia la cui esistenza viene supposta per spiegare l’attuale accelerazione nell’espansione dell’universo. La teoria della relatività generale di Albert Einstein permette di predire matematicamente l’evoluzione dell’universo, e in particolare la velocità alla quale si espande, in base alle varie componenti che contribuiscono alla densità di energia presente in un dato momento. Fino alla fine degli anni ’90 le componenti a noi note si limitavano alla materia (visibile, quali stelle e pianeti, e invisibile, la cosiddetta materia oscura) e alla radiazione elettromagnetica (il fondo cosmico di microonde). In base a questo contenuto energetico la relatività predice una decelerazione nell’espansione cosmica. Ma nel 1998 osservazioni di esplosioni di supernove (che valsero un premio Nobel nel 2011) mostrarono che l’espansione dell’universo non decelera bensì, sorprendentemente, accelera. Questo fenomeno non trova spiegazione in un universo descritto matematicamente dalla relatività generale e composto unicamente da radiazione e materia. Sono necessarie altre ipotesi.
Una prima spiegazione, matematicamente la più semplice, consiste in una modifica delle equazioni di Einstein con l’introduzione della costante cosmologica. Tale aggiunta sarebbe una modifica ad hoc, senza alcuna motivazione teorica. In realtà, a essere più precisi, la costante cosmologica potrebbe essere interpretata come la densità di energia del vuoto che, secondo la meccanica quantistica, assume un certo valore non nullo. Purtroppo la predizione per questa energia di vuoto, che dipende dalla nostra comprensione della fisica delle particelle elementari, risulta essere 10120 (1 con 120 zeri!) volte superiore al valore richiesto per spiegare l’accelerazione osservata, una discrepanza tale da far parlare della “peggiore predizione nella storia della fisica”!
La frazione della densità di energia dell’universo attuale in forma di energia oscura è circa il 70 per cento
Mettendo da parte, per il momento, l’ipotesi della densità di vuoto, i cosmologi utilizzano allora in senso molto più ampio e generico la nozione di energia oscura per indicare una componente di energia di cui, pur rappresentando il 70 per cento dell’energia dell’universo, non sappiamo praticamente nulla. In alternativa, vengono anche prese in considerazione modifiche della teoria della relatività che possano spiegare l’espansione accelerata senza introdurre componenti sconosciute e si parla in tal caso di gravità modificata. Si tratta spesso di modelli proposti appositamente per risolvere il problema in questione e non derivanti da un principio primo, come è stato il caso, glorioso, della teoria della relatività. E per questo, per il momento, non troppo soddisfacenti.
Studi in corso e domande aperte
Alla domanda su “cosa sia” l’energia oscura non abbiamo ancora una risposta e questo rappresenta un problema enorme non solo per la cosmologia odierna ma per la fisica delle interazioni fondamentali. Come tale, costituisce la motivazione centrale per molte campagne osservative dell’universo su grande scala in corso o in progettazione. Una domanda pratica a cui speriamo di poter rispondere negli anni a venire, infatti, è la seguente: l’accelerazione osservata è esattamente quella predetta da una costante cosmologica? Se così non fosse, se riuscissimo a individuare piccole discrepanze tra l’evoluzione cosmica osservata e quella predetta dall’ipotesi di un contributo dovuto a una densità di energia costante saremmo costretti a considerare effettivamente nuove forme di energia o teorie alternative della gravità e avremmo, probabilmente, anche una qualche indicazione sulla direzione nella quale indirizzare le ricerche teoriche.
Qui sopra, la mappa della distribuzione di galassie su grande scala ottenuta dalla collaborazione Vipers: ogni punto colorato è una galassia, contenente a sua volta centinaia di miliardi di stelle. Mappe su scale anche maggiori di queste sono necessarie per la ricostruzione accurata della geometria e dell’evoluzione dell’universo. Cliccare per ingrandire
Per studiare l’evoluzione dell’universo vengono sfruttate le proprietà statistiche della distribuzione di galassie su grandi scale, gli effetti di lenti gravitazionali (weak lensing) dovuti alla distribuzione di materia sulle galassie osservate a grande distanza e la densità di ammassi di galassie. L’entità dell’accelerazione cosmica, infatti, ha diversi effetti sia sulla geometria dell’universo che sulla crescita delle fluttuazioni spaziali nella densità di materia e, quindi, delle galassie stesse.
Il coinvolgimento dell’Istituto nazionale di astrofisica
L’Inaf è coinvolto in modo significativo in vari progetti osservativi rilevanti per il problema dell’ energia oscura. Tra questi spicca la missione spaziale Euclid dell’Esa, con il lancio previsto per il 2020, che si propone la misura del redshift (e quindi della posizione) di decine di milioni di galassie su un grande volume e, contemporaneamente, l’acquisizione di immagini ad alta risoluzione per la stima degli effetti delle lenti gravitazionali con lo scopo preciso di ricostruire la geometria dell’universo la sua evoluzione.
L’autore: Emiliano Sefusatti è ricercatore Inaf all’Osservatorio astronomico di Trieste.
Su Media Inaf potrai trovare, mano a mano che verranno pubblicate, tutte le schede della rubrica dedicata a Voci e domande dell’astrofisica, scritte dalle ricercatrici e dai ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.