Quando osserviamo il cielo notturno ad occhio nudo o con piccoli telescopi, vediamo migliaia di stelle più o meno luminose. Con telescopi più potenti possiamo osservare nuvole di gas luminescente, da cui si formeranno nuove stelle, e regioni oscurate dalle polveri galattiche. Poi vediamo ancora galassie lontane composte da stelle che non riusciamo a distinguere individualmente, a volte raccolte in grandi ammassi. Tutte le galassie, stelle, gas, polveri del nostro Universe sono il risultato dell’evoluzione durata quattordici miliardi di anni, a partire da un “oceano” primordiale di idrogeno, l’elemento più semplice e leggero che esista. A sua volta, l’idrogeno si è formato combinando particelle elementari, elettroni e quarks, che esistono sin dal big bang.Ricostruire la storia dell’Universo è il compito principale della cosmologia, la scienza che studia il cosmo nel suo insieme, più che le sue individuali componenti. Questo compito non è fine a se stesso. Se per progettare una strada è bene conoscere la geologia, l’idrografia, la metereologia, e perfino l’archeologia delle regioni che attraverserà, così per esplorare il nostro “giardino di casa”, il sistema solare, è necessario investigare la storia e la geografia dell’ambiente più vasto in cui si colloca. Per sapere, ad esempio, se il Sole resterà quieto per miliardi di anni o subirà profonde trasformazioni, o se il nostro pianeta è unico nell’Universo o esistono altri mondi abitabili, è necessario studiare i sistemi stellari simili al nostro diffusi in tutta la Galassia, e la loro storia nel quadro dell’evoluzione dell’intero Universo.
Le scoperte degli ultimi decenni, dal fondo cosmico di radiazione all’espansione accelerata, fino alle onde gravitazionali, hanno permesso di fondare la cosmologia su solide basi scientifiche. Il quadro che emerge è però incompleto. La materia necessaria per legare gravitazionalmente le stelle all’interno delle galassie sembra essere circa cinque volte maggiore di quella che vediamo direttamente, anche con i più potenti telescopi. Senza l’attrazione gravitazionale esercitata da questa materia oscura, le stelle delle galassie potrebbero letteralmente volare via nello spazio esterno. O più esattamente, le galassie stesse non si sarebbero neppure formate. Scoprire la natura della materia oscura è uno dei compiti più pressanti della cosmologia moderna.
L’altra forma di materia che ancora sfugge alla nostra comprensione è chiamata “energia oscura”. Questa sostanza, detta “energia” perché probabilmente non composta di particelle ma di uno o più campi simili al potenziale gravitazionale, è diffusa in tutto lo spazio in forma quasi del tutto omogenea. La sua esistenza determina l’attuale fase accelerata dell’espansione cosmica e il destino dell’intero Universo.
Nel mio libro ripercorro la storia, a volte contorta, di queste scoperte, accompagnando il lettore fino alle idee più recenti, dalle extra-dimensioni ai buchi neri primordiali, dalla supersimmetria al bosone di Higgs, dalla Relatività Generale di Einstein alle teorie che cercano di superarla. La scienza è un’impresa umana e come tale, accanto ai successi da Nobel, è ricca di errori, di ripensamenti, di false piste, di vicende personali. L’ambizione del libro è raccontare alcune di queste storie e, laddove possibile, spiegare la fisica del cosmo in maniera semplice ma non banalizzata.
Quali prove abbiamo dell’esistenza di materia oscura ed energia oscura?
Come già accennato, la dinamica delle galassie, o almeno di quasi tutte quelle che conosciamo, richiede l’esistenza di una grande quantità di materia oscura disposta in forma di alone intorno al disco galattico. La materia oscura non è costituita, per quanto ne sappiamo, da gas o polveri o stelle poco luminose. Benché in teoria la materia oscura potrebbe anche essere formata da buchi neri formatisi in epoca primordiale, la maggior parte degli astrofisici ritiene sia in realtà composta di particelle elementari, ancora sconosciute e certamente di tipo diverso da quelle che ogni giorno si generano nei grandi acceleratori come l’LHC di Ginevra, oppure negli impatti dei raggi cosmici con l’atmosfera. Poiché queste particelle non interagiscono con il campo elettromagnetico, non emettono nè assorbono luce. Potremmo dire più correttamente che la materia oscura è materia trasparente!
La dinamica delle galassie non è l’unica prova dell’esistenza di materia oscura. La formazione delle strutture cosmiche, la loro evoluzione nel tempo, la loro distribuzione spaziale, sono tutte ulteriori evidenze in favore di essa. Un Universo senza materia oscura sarebbe un luogo molto diverso da quello che conosciamo, e probabilmente invivibile.
L’energia oscura è, se possibile, ancora più enigmatica. Einstein stesso introdusse per primo una forma di “energia oscura” ante litteram nel 1917, battezzata costante cosmologica, cercando di dimostrare che l’Universo fosse statico. Nel 1929 però Edwin Hubble scoprì l’espansione cosmica, ovvero l’allontanamento reciproco delle galassie, e la costante di Einstein venne sostanzialmente abbandonata. Ma nel 1998 due gruppi di ricerca annunciarono di aver misurato la velocità di recessione di alcune decine di lontanissime supernovae, distanti fino a mille volte più delle galassie misurate da Hubble. La loro velocità, combinata con la distanza, permette di misurare in maniera dettagliata l’espansione dello spazio, quasi come se potessimo leggere un tachimetro cosmico. La scoperta dei due gruppi, guidati da Perlmutter, Schmidt e Riess, premiati dal Nobel nel 2011, fu che l’espansione era accelerata, contrariamente a quello che fino allora quasi tutti ritenevano. La maniera più convincente di spiegare l’espansione accelerata è di resuscitare la vecchia costante cosmologica.
La costante di Einstein è però solo un modo, anche se forse il più semplice, di spiegare l’accelerazione. Altre ipotesi, collettivamente indicate col nome di “energia oscura”, sono state formulate e sono al vaglio delle osservazioni presenti e future. In alcune di queste ipotesi, come racconto nel libro, è la stessa teoria della gravità di Einstein ad essere riformulata.
Cosa sappiamo riguardo l’evoluzione del cosmo e la sua estensione spaziale e temporale?
La fisica del cosmo è, in un certo senso, molto semplice: uno spazio, forse infinito, riempito di elettroni, quark, neutrini e radiazione che si espande, si raffredda, in cui si formano atomi di idrogeno, che poi si raccolgono in stelle e nubi di gas e polveri, guidati dalla mano invisibile della gravità. Una storia durata finora circa quattordici miliardi di anni, un’estensione (parlo dell’Universo visibile) di circa quarantacinque miliardi di anni-luce, popolata da mille miliardi di galassie, ognuna abitata in media da cento miliardi di stelle. Se non fosse per le recenti evidenze osservative in favore dell’esistenza di materia ed energia oscura, avremmo già un quadro pressoché completo, anche se ovviamente ancora povero di tanti dettagli.
Le scoperte recenti della materia e dell’energia oscura hanno però rimesso in discussione tanti aspetti che sembravano acquisiti. Per esempio, non sappiamo che ruolo occupino le particelle di materia oscura nel quadro della fisica fondamentale, come interagiscano con se stesse e con le altre particelle, se siano davvero stabili o solo di lunga vita. Analogamente, l’energia oscura riscrive la storia dell’espansione degli ultimi miliardi di anni. Se ne comprendessimo a fondo la natura, potremmo perfino predire il futuro del nostro Universo. Il satellite Euclid, che l’ESA, l’agenzia spaziale europea, in collaborazione con la NASA, lancerà nel 2021, potrà svelare, almeno in parte, la natura della materia e dell’energia oscura.
Quale destino riserva il futuro dell’universo?
In cosmologia, i tempi si misurano in miliardi di anni, quindi…niente paura! Il destino dell’Universo dipende da come evolverà la sua espansione e deve essere chiaro che qui entriamo in un campo affascinante ma molto speculativo. Ci sono in ultima analisi due possibilità: lo spazio continuerà ad espandersi per sempre, oppure ad un certo punto invertirà il suo moto e collasserà su se stesso, ripercorrendo all’indietro le fasi del big bang. Esaminiamo il primo caso, quello, diciamo così, più favorevole, e anche decisamente più probabile a giudicare dai dati in nostro possesso. In uno spazio in eterna espansione, le galassie esterne alla nostra “isola”, la Via Lattea, si faranno sempre più lontane e non ne percepiremo più la luce. La Via Lattea stessa potrà però vivere molto più a lungo. Le stelle continueranno a evolversi, spegnendosi lentamente come nane bianche, collassando come buchi neri, o esplodendo come supernovae. Il gas delle supernovae a sua volta formerà nuove generazioni di stelle, finché tutte le stelle avranno esaurito il loro combustibile nucleare e saranno collassate, o espulse dalla Galassia. A quel punto, il sistema delle stelle, ormai incapace di sostenere forme di vita (almeno quelle a noi note!), si trascinerà nel buio come un rottame di astronave per altri miliardi di anni, finchè non sarà progressivamente inghiottito dal buco nero centrale. Cosa possa avvenire dopo, se esiste un dopo, è ignoto, e temo lo resterà per molto tempo.
