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6 minuti di letturaPARSEC – Ep. 94: L’universo non ha una pagina 46

[Qui sotto lo script dell’audio del podcast]

Avete presente quando ordinate un piatto in trattoria e dite “mmm che buono, chissà che c’è dentro di preciso” e il cameriere vi risponde “segreto dello chef”? Beh, ecco, l’universo è uguale: è bellissimo e i segreti dello chef si chiamano energia oscura e materia oscura. Non ci è dato sapere che cosa siano queste due robe oscure, però sappiamo che devono esserci. Se l’universo fosse un soufflé, se togliessimo gli ingredienti materia ed energia oscura allora l’universo si sgonfierebbe anche senza essere tirato fuori dal forno. Le migliori ricette che abbiamo ci dicono che per fare il nostro universo servono:

  • 68% di energia oscura.
  • 27% di materia oscura.
  • 5% di materia ordinaria, ma senza esagerare.
  • Un pizzico di luce (la radiazione cosmica di fondo) da mettere prima di impastare.
  • Una camionata di teoria della gravità (la relatività generale da cui salta fuori la teoria del Big Bang anche) per amalgamare il tutto e dare struttura all’impasto.

Come tutte le ricette, questa che vi ho appena elencato è il risultato di decenni di perfezionamento, osservazioni e tentativi. Tutto inizia nel 1915, quando Albert Einstein butta giù una versione completa della teoria della relatività. Si tratta di una teoria che perfeziona la teoria di Newton della gravità: le equazioni di Newton vanno bene per il moto dei pianeti ma se vogliamo studiare l’intero universo ci serve Einstein. Solo che la teoria della relatività poteva portare a descrizioni molto diverse tra loro dell’universo: alcuni trovarono universi in espansione, altri universi statici. Nel 1929 l’astronomo americano Edwin Hubble pose fine alla questione facendo qualcosa di sconvolgente: per la prima volta Hubble misura la distanza delle galassie. Hubble trovò che più le galassie sono distanti, più si allontanano dai noi velocemente. Fu la prova che l’universo si sta espandendo e il parametro che descrive il tasso di questa espansione fu chiamato proprio costante di Hubble.

La galassia di Andromeda, la galassia più lontana visibile a occhio nudo. Hubble ne misurò per la prima volta la distanza nel 1924.

Dopo il 1929 arrivarono però altri dubbi. OK, l’universo si espande ma è sempre esistito (teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle e altri) oppure in passato le galassie che oggi sono lontane prima erano più vicine (teoria del Big Bang di George Gamow, Georges Lemaitre e altri)?
Il discriminante fu trovato nel 1965. Arnio Penzias e Robert Wilson nel 1965 scoprirono la radiazione cosmica di fondo (qui trovate un mio video a riguardo), una luce molto uniforme che proviene da ogni parte dell’universo. Quella fu la prova che la teoria migliore per descrivere l’universo è quella di un universo che si sta espandendo a partire da uno stato fisico iniziale in cui temperatura e densità erano incredibilmente alte: la teoria del Big Bang.

Per quanto riguarda gli ingredienti esotici, il primo a parlare esplicitamente di materia oscura è stato Fritz Zwicky, un astrofisico molto bravo ma anche un personaggio difficile con cui avere a che fare. Siamo negli anni Trenta del secolo scorso.

Poi, dopo la guerra mondiale e qualche decennio più tardi (anni Settanta), è l’astrofisica Vera Rubin ha smuovere definitamente il quadro fumoso dell’ipotesi della materia oscura diventa (per fortuna o purtroppo) realtà. Rubin studia il modo in cui le stelle girano nelle galassie e scopre che la loro velocità di rotazione non varia man mano che si considerano stelle sempre più lontane dal centro. Questo è curioso, perché per esempio nel Sistema solare il pianeta Nettuno gira più lentamente attorno al Sole rispetto alla velocità con cui lo fa Mercurio. Il motivo è la gravità: Mercurio è più vicino al Sole e va più veloce altrimenti cadrebbe sulla nostra stella.

Ma attenzione: non è mica che Mercurio sa di essere vicino al Sole. Piuttosto dovete pensare che i pianeti si sono formati da pezzi di rocce (o gas) che già ruotavano intorno al Sole per fatti loro. Quando, per esempio nel caso di Mercurio, i pezzi rocciosi si sono uniti (per la reciproca forza di gravità) a formare un pianeta, allora l’agglomerato si è piano piano sintonizzato in una certa orbita attorno al Sole. Questo vuol dire che automaticamente per restare in orbita, si è dovuto muovere a una certa velocità tale da non cadere sul Sole.

L’astrofisica Vera Rubin al lavoro. Qui stava studiando la rotazione delle galassie: fu così che scoprì la materia oscura.

Ma torniamo a Rubin. Se le stelle nelle galassie non vanno più lente quando sono lontane dal centro della galassia, cioè la regione con più massa (perché ci sono più stelle), allora vuol dire che ci deve essere tanta altra massa che non vediamo (quindi oscura) anche lontano dal centro della galassia: in questo modo, le stelle lontane sentiranno una gravità maggiore e, proprio come Mercurio, dovranno correre più velocemente per non cadere su questa massa oscura. Questo ipotizzò Vera Rubin.

Non abbiamo mai visto la materia oscura direttamente. In realtà anziché oscura dovremmo chiamarla trasparente: è come se le galassie si trovassero all’interno di immense cupole trasparenti che hanno una grande massa ma che non emettono luce (e per questo la chiamiamo materia oscura). Una cosa però è certa: deve essere della massa, magari di qualche tipo sconosciuto a noi oggi, ma una massa, cioè particelle di qualche tipo. Se così non fosse non potremmo spiegare alcune proprietà che osserviamo: dalla velocità delle stelle al fatto che si formano determinati fenomeni di lenti gravitazionali (di cui parleremo un’altra volta).

Per circa trent’anni gli astrofisici pensano a incastrare il puzzle della materia oscura nel rompicapo ancora più complicato di tutti i misteri dell’universo già esistenti. Nel 1998 però arriva una nuova sconvolgente notizia: Adam Riess, Brian Schmidt e Saul Permutter scoprono che l’universo non solo si espande, ma lo fa in modo accelerato. Lo scoprono completando il lavoro di Hubble del 1929. Misurano la distanza di galassie sempre più lontane grazie alle supernovae di tipo Ia e così riescono a capire che cosa succede all’universo su grandissima scala. Come si fa ad accelerare l’universo? Sempre all’interno del quadro teorico della teoria del Big Bang e delle evidenze ottenute dall’osservazione della radiazione cosmica di fondo, la risposta sembra essere una sola: esiste nell’universo qualcosa di ancor più sfuggente (a noi) della materia oscura. Questo qualcosa è l’energia oscura, qualcosa di cui sappiamo pochissimo se non che deve esistere per spiegare ciò che osserviamo.

Una supernova di tipo Ia in una galassia distante: un sistema formato da una stella e da una nana bianca è esploso. Questo succede quando la nana bianca, che succhia materia dalla stella compagna, arriva intorno a una volta e mezzo la massa del Sole. Siccome accade sempre in questo modo, le supernovae di tipo Ia possono essere usate come eventi standard per la misura delle distanze delle galassie.

Tutto finito? Macché. Se i dati della ricetta che vi ho presentato all’inizio vanno molto d’accordo con i dati della radiazione cosmica di fondo, non si può dire lo stesso delle altre osservazioni astrofisiche. Per esempio, la costante di Hubble assume un valore quando stimata dalla radiazione cosmica di fondo e ne assume un altro, abbastanza diverso, quando osservata misurando le distanze delle galassie: si parla di tensione della costante di Hubble. Chi ha ragione? Nessuno lo sa. O almeno, oggi nessuno lo sa. Gli astrofisici purtroppo non hanno una pagina 46 delle soluzioni a cui possono dare un’occhiata la settimana successiva.

Voi direte: ma esistono altre possibili ricette per l’universo? La risposta è sì, ma non funzionano bene come l’originale. Queste ricette si chiamano teorie di gravità modificata. Esistono vagonate di queste teorie/ricette: tutte cercano di fare a meno di energia e materia oscura e per farlo usano una teoria della gravità diversa dalla relatività per amalgamare. Ma niente: come amalgama la teoria della relatività generale niente ci fa. Neanche Melaceto. Però, come tutte le sfide più audaci, gli astrofisici sono molto attratti dalle ricette di gravità modificata. Per questo, proprio perché l’astrofisica è fatta da ricercatrici e ricercatori, l’arduo compito di questa newsletter sarà proprio quello di raccontare persone e fatti di questo pazzesco mondo della ricerca astrofisica.

Gli astrofisici sono persone molto curiose e ambiziose: del resto studiano l’intero universo!
Sarà la voglia di provare qualcosa di nuovo, sarà Ambrogio, Sarah Fergurson, boh, non si sa. Di certo, ogni volta che gli astrofisici restano affascinati dalle teorie di gravità modificata, i dati attuali li tirano per la maglietta per ricordare loro che “ehi, guarda che robe oscure come noi non le trovi mica da nessuna altra parte, eh”.

Quindi curiosi e ambiziosi, certo, ma sempre con umiltà.

Così, con in testa sempre più domande che risposte. Senza una pagina delle soluzioni, senza la pagina 46 come nella Settimana Enigmistica.

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