Energia oscura

Stima della distribuzione di materia oscura e di energia oscura nell'universo

Nel modello cosmologico basato sul Big Bang, l'energia oscura è una forma di energia a pressione negativa che si trova in tutto lo spazio.

Generalità

L'introduzione dell'energia oscura è attualmente il modo più diffuso fra i cosmologi per spiegare le osservazioni di un universo in espansione accelerata, come pure per colmare una significativa porzione della massa-energia mancante dell'universo (il 68% circa, su un totale mancante di circa il 95).

Le due principali forme proposte di energia oscura sono la costante cosmologica e la quintessenza.

La costante cosmologica è una densità d'energia costante che riempie omogeneamente lo spazio e che è fisicamente equivalente all'energia del vuoto. L'aggiunta di una costante cosmologica nella teoria base della cosmologia (vedi Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker) ha portato all'adozione di un modello chiamato Lambda-CDM, che è in accordo con le osservazioni. La quintessenza è un campo dinamico la cui densità d'energia varia nello spazio e nel tempo. Distinguere fra le due possibilità richiede misure accurate dell'espansione dell'universo per capire come la velocità d'espansione cambi nel tempo. Il coefficiente d'espansione è parametrizzato dall'equazione di stato, il cui calcolo è uno degli sforzi più grandi della cosmologia d'osservazione.

Alcuni modelli di gravità quantistica tuttavia, tra cui la gravitazione quantistica a loop, possono spiegare in altra maniera le proprietà cosmologiche, senza far ricorso all'energia oscura.

Il termine "energia oscura" fu coniato da Michael Turner.

Storia

Albert Einstein, vissuto in un'epoca dominata dall'idea di un universo stazionario, per contrastare gli effetti della "nuova" gravità da lui delineata, che portava a un universo dinamico (o in contrazione o in espansione), inserì nelle equazioni di campo della relatività generale la famosa costante cosmologica, simile qualitativamente a una forza antigravitazionale su larga scala. Quando Edwin Hubble scoprì che l'universo era in espansione Einstein ritrattò la sua idea, definendola "il mio più grande errore".

Con lo sviluppo della teoria quantistica della materia si evidenziò che anche il vuoto possiede una sua ben definita energia, data dalle coppie di particelle e antiparticelle che si formano e si annichilano continuamente.

Nel 1967 venne rilevato l'effetto Sachs-Wolfe, consistente in uno spostamento verso il blu della radiazione cosmica di fondo quando attraversa i forti campi gravitazionali generati da grandi ammassi di materia; tale guadagno di energia sarebbe un segno diretto dell'esistenza di un'energia oscura.

Quando negli anni novanta venne accertata l'accelerazione dell'espansione dell'universo (l'annuncio che i dati confermavano un universo in accelerazione venne dato da Saul Perlmutter del Berkeley Lab l'8 gennaio 1998; il lavoro ottenne il premio Nobel per la fisica nel 2011), l'ipotesi dell'energia oscura si rafforzò ulteriormente per giustificare l'esistenza di una forza antigravitazionale presente in tutto l'universo, che spiegherebbe l'espansione accelerata e che potrebbe essere rappresentata dall'energia del vuoto prevista dalla meccanica quantistica. L'errore di Einstein veniva così in qualche modo ridimensionato: una forma di energia non rilevabile permeerebbe effettivamente lo spazio, ma il suo ipotetico effetto antigravitazionale, anziché rendere l'universo stazionario, è candidato al contrario ad accelerarne l'espansione. Come risultato collaterale dell'espansione accelerata l'età dell'universo risulta inferiore a quanto stimato in precedenza sulla base di una velocità di espansione costante.

Nel 2004 Christian Beck della Queen Mary University di Londra e Michael Mackey della McGill University di Montreal hanno sviluppato una teoria che lega le fluttuazioni del vuoto all'energia oscura e hanno ipotizzato la misurazione sperimentale dell'energia oscura tramite la giunzione Josephson.

L'esistenza di un'energia oscura, in qualsiasi forma, risolve anche il problema della "massa mancante", intesa non come massa in senso stretto (materia oscura), ma come massa-energia. La teoria della nucleosintesi primordiale regola la formazione degli elementi leggeri nell'universo primordiale, come l'elio, il deuterio ed il litio. La teoria della struttura a grande scala dell'Universo regola la formazione della struttura dell'universo, stelle, quasar, galassie e gruppi e ammassi di galassie. Entrambe queste teorie suggeriscono che la densità d'energia di tutta la materia ipotizzabile nell'universo, data dai barioni e dalla materia oscura fredda, sia circa il 30% di quella necessaria per rendere la curvatura dell'universo nulla. Poiché misurazioni della radiazione cosmica di fondo effettuate dal satellite WMAP, lanciato nel 2001, indicano che l'universo è molto vicino ad una curvatura nulla, è possibile concludere che una quota di energia non visibile, "oscura" appunto, deve costituire il restante 70% circa.

Un lavoro pubblicato nel 2012 da studiosi della università di Portsmouth e della LMU di Monaco, basato sulla sovrapposizione di mappe di regioni dell'universo con quelle della radiazione di fondo, ha migliorato la precisione rispetto a precedenti analoghi studi di conferma dell'effetto Sachs-Wolfe, sostenendo una probabilità dell'esistenza di un'energia oscura del 99,9996% (lo stesso valore di 5 sigma raggiunto dalla recente scoperta del probabile bosone di Higgs).

Prove dell'accelerazione dell'Universo

La composizione dell'Universo

Verso la fine degli anni novanta osservazioni di supernovae di tipo Ia suggerirono che l'espansione dell'universo fosse in accelerazione. Queste osservazioni sono state confermate da molte altre fonti indipendenti: la radiazione cosmica di fondo, l'età dell'universo, le abbondanze degli elementi dovute alla nucleosintesi primordiale, la struttura a grande scala dell'universo e le misurazioni del parametro di Hubble, come pure analisi accurate delle supernovae. Tutti questi elementi confermano il modello Lambda-CDM.

Le supernovae di tipo Ia offrono la miglior prova per l'esistenza dell'energia oscura. La misura della velocità dell'allontanamento di oggetti è semplicemente ottenuta misurando lo spostamento verso il rosso (redshift) dell'oggetto. Trovare invece la distanza di quell'oggetto è un problema più complesso. Per fare ciò è necessario trovare candele standard: oggetti la cui magnitudine assoluta è nota, in modo tale da rapportare la magnitudine apparente alla distanza. Senza candele standard è impossibile misurare la relazione della legge di Hubble tra la distanza e lo spostamento verso il rosso. Le supernovae di tipo Ia sono le migliori candele standard per l'osservazione cosmologica, in quanto sono molto luminose e bruciano solo quando la massa di una vecchia nana bianca raggiunge il limite di Chandrasekhar. Le distanze delle supernovae vengono quindi messe in relazione alle loro velocità; questo metodo è usato anche per determinare la storia dell'espansione dell'universo. Tali osservazioni indicano che l'universo non sta rallentando, cosa che ci si aspetterebbe in un universo dominato da materia, ma sta misteriosamente accelerando. Le osservazioni vengono dunque spiegate postulando un tipo di energia con pressione negativa (vedi l'equazione di stato in cosmologia per una spiegazione matematica), chiamata energia oscura.

Natura dell'energia oscura

L'esatta natura dell'energia oscura è oggetto di ricerca. È conosciuta per essere omogenea e non molto densa, e non interagisce fortemente con alcuna delle forze fondamentali, tranne la gravità. Dal momento che non è molto densa, circa 10⁻²⁹ g/cm³, è difficile immaginare esperimenti per trovarla in laboratorio. L'energia oscura può però avere un forte impatto sull'universo, costituendo, come detto, il 70% di tutte le energie e riempiendo uniformemente tutti gli spazi vuoti. I due modelli più importanti sono la costante cosmologica e la quintessenza.

Costante cosmologica

Per approfondire, vedi Costante cosmologica.

La spiegazione più semplice dell'energia oscura è il "prezzo di avere spazio", ovvero un volume di spazio possiede un'energia intrinseca e fondamentale, chiamata energia del vuoto in quanto è la densità dell'energia del vuoto fisico. La maggior parte delle teorie della fisica delle particelle predice infatti fluttuazioni del vuoto che gli conferirebbero esattamente questo tipo di energia. Dal momento che energia e massa sono unite dalla formula E=mc², in base alla teoria della relatività generale l'energia del vuoto produrrà effetti gravitazionali assumendo il ruolo di costante cosmologica, indicata con la lettera greca Lambda (da cui il modello Lambda-CDM). Essa è stimata dell'ordine di circa 10⁻²⁹ g/cm³ o di 10⁻¹²³ in unità di Planck.

La costante cosmologica ha una pressione negativa equivalente alla densità della sua energia e questo fa sì che l'espansione dell'universo acceleri. La ragione per cui la costante ha tale valore di pressione può essere trovata nella termodinamica classica. Il lavoro prodotto da un cambiamento di volume dV è uguale a −p dV, dove p è la pressione. Ma la quantità di energia in un contenitore di energia vuota in realtà aumenta quando il volume aumenta (e quindi dV è positivo), in quanto l'energia è uguale a ρV, dove ρ è la densità dell'energia della costante cosmologica. Quindi p è negativo ed infatti p = −ρ.

Uno dei più grandi problemi non risolti della fisica è che la maggior parte delle teorie quantistiche dei campi prevedono un valore molto grande per la costante dell'energia del vuoto quantico, fino a 123 ordini di grandezza rispetto alla costante cosmologica stimata come energia oscura. Questo significherebbe che una gran parte di tale energia dovrebbe venire annullata da una uguale e di segno opposto. In alternativa alcune teorie supersimmetriche richiedono che la costante cosmologica sia esattamente zero. Dati così discordanti costituiscono il problema della costante cosmologica, uno dei più importanti problemi di misura della fisica: non c'è modo naturale conosciuto per ricavare, anche approssimativamente, la costante cosmologica infinitesimale osservata in fisica delle particelle.

Nonostante questi problemi la costante cosmologica è per molti aspetti la soluzione più "economica" al problema dell'accelerazione cosmica e il Modello standard attuale la include come una caratteristica essenziale.

Quintessenza

Per approfondire, vedi Quintessenza.

Alternativamente, l'energia oscura potrebbe derivare dall'eccitazione di particelle in alcuni tipi di campi dinamici, e chiamata quintessenza. Questa differisce dalla costante cosmologica in quanto può variare nello spazio e nel tempo. Affinché questa non formi strutture come materia, deve essere molto leggera in modo tale da avere una lunghezza d'onda di Compton molto grande.

Non ci sono prove dell'esistenza della quintessenza attualmente, ma questa non può essere eliminata a priori. Generalmente prevede un'accelerazione minore dell'espansione dell'universo rispetto alla costante cosmologica. Alcuni scienziati ritengono che la miglior prova della quintessenza derivi dalla violazione del principio di equivalenza di Einstein e dalle variazioni delle costanti fondamentali nello spazio e nel tempo. I campi scalari sono previsti dal modello standard e dalla teoria delle stringhe.

Il problema della coincidenza cosmica si chiede come mai l'accelerazione cosmica cominci quando la si stima essere cominciata. Se fosse cominciata prima, nell'universo strutture come le galassie non avrebbero avuto il tempo per formarsi e, almeno per quanto sappiamo, di esistere. Chi sostiene il principio antropico vede questo come una forte prova della loro tesi. Ad ogni modo, molti modelli di quintessenza hanno un comportamento tale da risolvere il problema. In questi modelli, il campo della quintessenza ha una densità che traccia la densità della radiazione fino a che materia e radiazioni si equivalgono. Ciò fa sì che la quintessenza cominci a comportarsi come energia oscura, ed infine a dominare l'universo. Questo imposta la bassa scala d'energia dell'energia oscura.

Alcuni casi particolari di quintessenza sono l'energia fantasma, dove la densità dell'energia della quintessenza cresce con il tempo, e l'essenza-k (quintessenza cinetica), che possiede una forma non standard di energia cinetica. Queste possono avere proprietà inusuali: l'energia fantasma ad esempio può causare il Big Rip.

Altre ipotesi

Alcuni teorici pensano che l'energia oscura e l'accelerazione cosmica siano prova d'un fallimento della relatività generale su scale superiori a quelle dei superammassi di galassie. Uno dei modelli alternativi sono le teorie MOND (Modified Newton Dynamics, dinamica newtoniana modificata).

Altri teorici pensano invece che l'energia oscura e l'accelerazione cosmica siano prova di un fallimento del modello Standard del Big Bang, dato che costringe ad ammettere la presenza di qualcosa di non (ancora) esperibile.

Altre idee sull'energia oscura derivano dalla teoria delle stringhe, dalla Brane cosmology e dal principio olografico, ma non si sono ancora dimostrate efficaci come quelle della quintessenza e della costante cosmologica. In analogia con fenomeni osservabili nei liquidi, si dovrebbe ipotizzare che il numero quasi infinito di urti infinitesimi tra un numero quasi infinito di particelle possa produrre una specie di pressione che allarga il pallone del nostro universo.

Implicazioni per il destino dell'universo

Per approfondire, vedi Destino ultimo dell'universo.

I cosmologi ipotizzano che l'accelerazione dell'espansione dell'universo sia cominciata circa 5 miliardi di anni fa e ritengono che nella fase precedente, seguita al Big bang, l'espansione fosse in decelerazione a causa della forza gravitazionale attrattiva esercitata dalla materia barionica e dalla materia oscura.

Secondo i calcoli la densità della materia in un universo in espansione dovrebbe ridursi più velocemente rispetto all'energia oscura ed infine questa dovrebbe prendere il sopravvento. In particolare, quando il volume dell'universo raddoppia la densità della materia si dimezza, mentre l'energia oscura dovrebbe rimanere quasi invariata (esattamente invariata nel caso della costante cosmologica).

Se l'accelerazione continuasse indefinitamente, il risultato ultimo sarebbe che le galassie al di fuori del superammasso locale si sposterebbero oltre l'orizzonte cosmico e non sarebbero più visibili perché la loro velocità relativa diverrebbe maggiore della velocità della luce (questa non sarebbe una violazione della relatività ristretta poiché l'effetto non potrebbe esser usato per mandare segnali tra le galassie). La Terra, la Via Lattea ed il Superammasso Locale rimarrebbero virtualmente indisturbati, mentre il resto dell'universo si allontanerebbe; in questo scenario il superammasso locale andrebbe incontro alla morte termica, allo stesso modo che per un modello di universo piatto e materiale.

Ci sono comunque scenari alternativi. Uno di questi suggerisce che l'energia oscura possa causare un'espansione "divergente", implicando che la sua forza repulsiva continui a crescere fino a dominare tutte le altre forze dell'universo. In questo scenario l'energia oscura distruggerebbe tutte le strutture legate alla gravità, incluse galassie e sistemi solari, ed infine supererebbe le forze elettriche e nucleari distruggendo gli atomi stessi, facendo terminare l'universo con un Big Rip (grande strappo). Secondo un'altra ipotesi, l'energia oscura potrebbe scomparire con il tempo o addirittura diventare attrattiva, lasciando aperta la possibilità che la gravità possa divenire predominante e portare l'universo a una grande contrazione finale detta Big Crunch. Alcuni modelli, come quello dell'universo oscillante, predicono che a questa contrazione segua una nuova espansione in un susseguirsi ciclico.

Le misurazioni precise dell'accelerazione dell'espansione dell'universo potranno rivelarsi decisive nella determinazione del suo destino ultimo nell'ambito della teoria del Big Bang.

Nella fantascienza

L'energia oscura viene spesso menzionata (e persino manipolata) nella celebre serie videoludica Half-Life 2. In quanto serie fantascientifica, la visione dell'energia oscura esula un po' da quelli che sono le descrizioni nelle teorie fisiche relative a tale fenomeno: essa sembra essere infatti manipolabile tramite dispositivi tecnologici che spaziano dai fucili ai teletrasportatori ai reattori a fusione. L'energia oscura, insomma, è qui presentata come la fonte energetica primaria della forza conquistatrice chiamata Combine. Il Combine usa tale energia per alimentare le proprie fortezze (le Cittadelle, enormi costruzioni simili a colossali grattacieli alti interi chilometri), le proprie armi (i fucili d'assalto combine sparano veri e propri proiettili di energia oscura) ed i propri sistemi di teletrasporto.

L'energia oscura è poi fondamentale nella serie videoludica Mass Effect. Nell'universo fittizio della saga campi di energia oscura, generati sottoponendo a una corrente elettrica un altrettanto fittizio elemento zero, sono infatti in grado di ridurre la massa a riposo della materia contenuta al loro interno: l'energia oscura viene quindi utilizzata per alleggerire le astronavi, permettendo di raggiungere velocità superiori a quella della luce, per generare gravità artificiale, per accelerare i proiettili delle armi da fuoco e può essere inoltre utilizzata da particolari individui, i biotici, per generare campi di energia oscura capaci di disarmare i nemici.

Voci correlate

• Big Rip
• Cosmologia (astronomia)
• Effetto Casimir
• Materia oscura
• Problema dei neutrini solari
• Universo in accelerazione

Collegamenti esterni

• (EN) Articolo di C. Beck e M. Mackey sulla misurazione in laboratorio dell'energia oscura
• L'energia oscura è una costante, notizia da "Le Scienze"
• (EN) Quintessenza
• (EN) Comunicato stampa del Berkeley Lab
• ScienzaperTutti: materia e energia oscura

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