L’energia oscura e il suo ruolo nell’accelerare l’espansione dell’universo rappresentano una sfida fondamentale nell’astrofisica, stimolando ricerche continue e missioni spaziali dedicate a svelare la natura di questa forza misteriosa. Circa 13,8 miliardi di anni fa, l’universo ha avuto inizio con una rapida espansione che chiamiamo Big Bang. Dopo questa espansione iniziale, durata una frazione di secondo, la gravità ha iniziato a rallentare l’universo. Ma il cosmo non sarebbe rimasto così. Nove miliardi di anni dopo l’inizio dell’universo, la sua espansione ha iniziato ad accelerare, spinta da una forza sconosciuta che gli scienziati hanno chiamato energia oscura.
Ma cos’è esattamente l’energia oscura?
La risposta breve è: non lo sappiamo. Ma sappiamo che esiste, che sta facendo espandere l’universo a un ritmo accelerato e che circa il 68,3-70% dell’universo è energia oscura.
Una breve storia
È iniziato tutto con le Cefeidi
L’energia oscura non è stata scoperta fino alla fine degli anni ’90. Ma la sua origine nello studio scientifico risale al 1912, quando l’astronoma americana Henrietta Swan Leavitt fece una scoperta importante utilizzando le variabili Cefeidi, una classe di stelle la cui luminosità fluttua con regolarità in base alla luminosità della stella.
Tutte le stelle Cefeidi con un certo periodo (il periodo di una Cefeide è il tempo che impiega per passare da luminosa a fioca e di nuovo luminosa) hanno la stessa magnitudine assoluta o luminosità, ovvero la quantità di luce che emettono. Leavitt misurò queste stelle e dimostrò che esiste una relazione tra il loro periodo regolare di luminosità e la luminosità. I risultati di Leavitt resero possibile per gli astronomi utilizzare il periodo e la luminosità di una stella per misurare le distanze tra noi e le stelle Cefeidi in galassie lontane (e nella nostra Via Lattea).
All’incirca nello stesso periodo storico, l’astronomo Vesto Slipher osservò galassie a spirale utilizzando lo spettrografo del suo telescopio, un dispositivo che divide la luce nei colori che la compongono, un po’ come un prisma divide la luce in un arcobaleno. Utilizzò lo spettrografo, un’invenzione relativamente recente all’epoca, per vedere le diverse lunghezze d’onda della luce proveniente dalle galassie in diverse linee spettrali. Con le sue osservazioni, Slipher fu il primo astronomo a osservare quanto velocemente la galassia si stava allontanando da noi, chiamato redshift, in galassie lontane. Queste osservazioni si rivelarono fondamentali per molte future scoperte scientifiche, inclusa la scoperta dell’energia oscura.
Il redshift è un termine usato quando gli oggetti astronomici si stanno allontanando da noi e la luce proveniente da quegli oggetti si allunga. La luce si comporta come un’onda e la luce rossa ha la lunghezza d’onda più lunga. Quindi, la luce proveniente da oggetti che si allontanano da noi ha una lunghezza d’onda più lunga, estendendosi verso la “fine rossa” dello spettro elettromagnetico.
Scoprire un universo in espansione
La scoperta del redshift galattico, la relazione periodo-luminosità delle variabili Cefeidi e una nuova capacità di misurare la distanza di una stella o di una galassia hanno giocato un ruolo nel far osservare agli astronomi che le galassie si stavano allontanando da noi nel tempo, mostrando così come l’universo si stava espandendo. Negli anni successivi, diversi scienziati in tutto il mondo iniziarono a mettere insieme i pezzi di un universo in espansione.
Nel 1922, lo scienziato e matematico russo Alexander Friedmann pubblicò un articolo dettagliando molteplici possibilità per la storia dell’universo. L’articolo, basato sulla teoria della relatività generale di Albert Einstein pubblicata nel 1917, includeva la possibilità che l’universo si stesse espandendo.
Nel 1927, l’astronomo belga Georges Lemaître, che si dice fosse all’oscuro del lavoro di Friedmann, pubblicò un articolo che teneva conto anche della teoria della relatività generale di Einstein. E, mentre Einstein affermava nella sua teoria che l’universo era statico, Lemaître mostrò come le equazioni nella teoria di Einstein supportassero in realtà l’idea che l’universo non fosse statico, ma, in effetti, si stesse espandendo.
L’astronomo Edwin Hubble confermò che l’universo si stava espandendo nel 1929 utilizzando osservazioni fatte dal suo collega, l’astronomo Milton Humason. Humason misurò il redshift delle galassie a spirale. Hubble e Humason poi studiarono le stelle Cefeidi in quelle galassie, utilizzando le stelle per determinare la distanza delle loro galassie (o nebulose, come le chiamavano). Confrontarono le distanze di queste galassie con il loro redshift e tracciarono come più un oggetto è lontano, maggiore è il suo redshift e più velocemente si sta allontanando da noi. La coppia scoprì che oggetti come le galassie si stanno allontanando dalla Terra più velocemente quanto più sono lontani, a velocità di centinaia di migliaia di chilometri al secondo – un’osservazione ora nota come Legge di Hubble o Legge di Hubble-Lemaître. L’universo, confermarono, si sta davvero espandendo.
L’espansione sta accelerando, mostrano le supernovae
Gli scienziati in precedenza pensavano che l’espansione dell’universo sarebbe probabilmente stata rallentata dalla gravità nel tempo, un’aspettativa supportata dalla teoria della relatività generale di Einstein. Ma nel 1998, tutto cambiò quando due diversi team di astronomi che osservavano supernovae lontane notarono che (a un certo redshift) le esplosioni stellari erano più deboli del previsto. Questi gruppi erano guidati dagli astronomi Adam Riess, Saul Perlmutter e Brian Schmidt. Questo trio vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 2011 per questo lavoro.
Mentre supernovae deboli potrebbero non sembrare una scoperta importante, questi astronomi stavano guardando supernovae di Tipo 1a, che sono note per avere un certo livello di luminosità. Quindi sapevano che doveva esserci un altro fattore che rendeva questi oggetti più deboli. Gli scienziati possono determinare la distanza (e la velocità) utilizzando la luminosità degli oggetti, e gli oggetti più deboli sono tipicamente più lontani (anche se la polvere circostante e altri fattori possono causare l’oscuramento di un oggetto).
Questo ha portato gli scienziati a concludere che queste supernovae erano solo molto più lontane di quanto si aspettassero guardando i loro redshift.
Utilizzando la luminosità degli oggetti, i ricercatori determinarono la distanza di queste supernovae. E utilizzando lo spettro, furono in grado di capire il redshift degli oggetti e, quindi, quanto velocemente si stavano allontanando da noi. Scoprirono che le supernovae non erano così vicine come previsto, il che significa che si erano allontanate da noi più velocemente del previsto. Queste osservazioni hanno portato gli scienziati a concludere infine che l’universo stesso deve espandersi più velocemente nel tempo.
Mentre altre possibili spiegazioni per queste osservazioni sono state esplorate, gli astronomi che studiano supernovae ancora più lontane o altri fenomeni cosmici negli anni più recenti hanno continuato a raccogliere prove e a costruire supporto per l’idea che l’universo si stia espandendo più velocemente nel tempo, un fenomeno ora chiamato accelerazione cosmica.
Ma, mentre gli scienziati costruivano un caso per l’accelerazione cosmica, si chiedevano anche: perché? Cosa potrebbe spingere l’universo a espandersi più velocemente nel tempo?
Entra in gioco l’energia oscura.
Cos’è esattamente l’energia oscura?
Al momento, l’energia oscura è solo il nome che gli astronomi hanno dato al misterioso ”qualcosa” che sta causando l’espansione accelerata dell’universo.
L’energia oscura è stata descritta da alcuni come avente l’effetto di una pressione negativa che spinge lo spazio verso l’esterno.
Il mistero dell’energia oscura
L’energia oscura è uno dei più grandi enigmi dell’universo. Nonostante gli sforzi degli scienziati, non si sa ancora se essa abbia l’effetto di una forza o se sia qualcosa di completamente diverso. Esistono diverse teorie su cosa possa essere l’energia oscura, ma nessuna ha ancora trovato conferma definitiva. Di seguito, esamineremo quattro delle principali spiegazioni proposte per l’energia oscura, tenendo presente che potrebbe trattarsi di qualcosa di completamente diverso da ciò che abbiamo immaginato finora.
Energia del vuoto:
Alcuni scienziati ritengono che l’energia oscura sia una forma di energia fondamentale e onnipresente nello spazio, nota come energia del vuoto, che potrebbe essere uguale alla costante cosmologica, un termine matematico nelle equazioni della teoria della relatività generale di Einstein. Inizialmente, la costante esisteva per controbilanciare la gravità, risultando in un universo statico. Tuttavia, quando Hubble confermò che l’universo era in realtà in espansione, Einstein rimosse la costante, definendola “il mio più grande errore”, secondo il fisico George Gamow.
Ma quando fu scoperto più tardi che l’espansione dell’universo stava in realtà accelerando, alcuni scienziati suggerirono che potesse esserci un valore non nullo per la costante cosmologica precedentemente screditata. Suggerirono che questa forza aggiuntiva sarebbe stata necessaria per accelerare l’espansione dell’universo. Questa teoria ipotizzava che questa componente misteriosa potesse essere attribuita a qualcosa chiamato “energia del vuoto”, che è un’energia teorica di fondo che permea tutto lo spazio.
Lo spazio non è mai esattamente vuoto. Secondo la teoria dei campi quantistici, esistono particelle virtuali, o coppie di particelle e antiparticelle. Si pensa che queste particelle virtuali si annullino a vicenda quasi non appena compaiono nell’universo, e che questo atto di apparire e scomparire possa essere reso possibile dall’”energia del vuoto” che riempie il cosmo e spinge lo spazio verso l’esterno.
Sebbene questa teoria sia stata un argomento di discussione popolare, gli scienziati che hanno investigato questa opzione hanno calcolato quanta energia del vuoto dovrebbe teoricamente esserci nello spazio. Hanno dimostrato che dovrebbe esserci così tanta energia del vuoto che, fin dall’inizio, l’universo si sarebbe espanso così rapidamente e con tanta forza che nessuna stella o galassia avrebbe potuto formarsi, oppure… non dovrebbe essercene affatto. Questo significa che la quantità di energia del vuoto nel cosmo deve essere molto più piccola di quanto previsto in queste previsioni. Tuttavia, questa discrepanza deve ancora essere risolta e ha persino guadagnato il soprannome di “problema della costante cosmologica”.
Quintessenza:
Alcuni scienziati pensano che l’energia oscura possa essere un tipo di fluido energetico o campo che riempie lo spazio, si comporta in modo opposto alla materia normale e può variare nella sua quantità e distribuzione nel tempo e nello spazio. Questa versione ipotizzata di energia oscura è stata soprannominata quintessenza dopo il teorico quinto elemento discusso dai filosofi greci antichi.
È stato persino suggerito da alcuni scienziati che la quintessenza potrebbe essere una combinazione di energia oscura e materia oscura, sebbene attualmente le due siano considerate completamente separate l’una dall’altra. Mentre entrambe sono grandi misteri per gli scienziati, si pensa che la materia oscura costituisca circa l’85% di tutta la materia nell’universo.
Rughe spaziali:
Alcuni scienziati pensano che l’energia oscura possa essere una sorta di difetto nel tessuto stesso dell’universo; difetti come le stringhe cosmiche, che sono ipotetiche “rughe” unidimensionali che si pensa si siano formate nell’universo primordiale.
Un difetto nella relatività generale:
Alcuni scienziati pensano che l’energia oscura non sia qualcosa di fisico che possiamo scoprire. Piuttosto, pensano che ci possa essere un problema con la relatività generale e la teoria della gravità di Einstein e come funziona su scala dell’universo osservabile. All’interno di questa spiegazione, gli scienziati pensano che sia possibile modificare la nostra comprensione della gravità in un modo che spieghi le osservazioni dell’universo fatte senza la necessità dell’energia oscura. Einstein propose effettivamente un’idea simile nel 1919 chiamata gravità unimodulare, una versione modificata della relatività generale che gli scienziati di oggi pensano non richiederebbe energia oscura per dare un senso all’universo.
Il futuro
L’energia oscura è uno dei grandi misteri dell’universo. Per decenni, gli scienziati hanno teorizzato sul nostro universo in espansione. Ora, per la prima volta, abbiamo strumenti abbastanza potenti da mettere alla prova queste teorie e indagare davvero sulla grande domanda: “cos’è l’energia oscura?”
La NASA svolge un ruolo fondamentale nella missione Euclid (lanciata nel 2023) dell’ESA (Agenzia Spaziale Europea), che realizzerà una mappa 3D dell’universo per vedere come la materia è stata separata dall’energia oscura nel tempo. Questa mappa includerà osservazioni di miliardi di galassie trovate fino a 10 miliardi di anni luce dalla Terra.
Il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, previsto per il lancio entro maggio 2027, è progettato per indagare sull’energia oscura, tra molti altri argomenti scientifici, e creerà anche una mappa 3D della materia oscura. La risoluzione di Roman sarà nitida come quella del telescopio spaziale Hubble della NASA, ma con un campo visivo 100 volte più ampio, consentendo di catturare immagini più ampie dell’universo. Ciò consentirà agli scienziati di mappare come la materia è strutturata e distribuita nell’universo e di esplorare come si comporta l’energia oscura e come è cambiata nel tempo. Roman condurrà anche un’ulteriore indagine per rilevare le supernove di tipo Ia.
Oltre alle missioni e agli sforzi della NASA, l’osservatorio Vera C. Rubin, supportato da una grande collaborazione che include la National Science Foundation degli Stati Uniti, attualmente in costruzione in Cile, è anche pronto a supportare la nostra crescente comprensione dell’energia oscura. Si prevede che l’osservatorio terrestre sarà operativo nel 2025.
Gli sforzi combinati di Euclid, Roman e Rubin inaugureranno una nuova “età dell’oro” della cosmologia, in cui gli scienziati raccoglieranno informazioni più dettagliate che mai sui grandi misteri dell’energia oscura.
Inoltre, il telescopio spaziale James Webb della NASA (lanciato nel 2021), il telescopio spaziale più potente e grande del mondo, mira a contribuire a diverse aree di ricerca e contribuirà agli studi sull’energia oscura.
La missione SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer) della NASA, prevista per il lancio non oltre aprile 2025, mira a indagare le origini dell’universo. Gli scienziati si aspettano che i dati raccolti con SPHEREx, che esaminerà l’intero cielo nella luce infrarossa vicina, comprese oltre 450 milioni di galassie, possano aiutare a migliorare la nostra comprensione dell’energia oscura.
La NASA supporta anche un progetto di citizen science chiamato Dark Energy Explorers, che consente a chiunque nel mondo, anche a coloro che non hanno formazione scientifica, di aiutare nella ricerca di risposte sull’energia oscura.