Nei primi anni del 1900, quando Albert Einstein formulò la teoria della relatività generale, gli scienziati credevano in un universo statico. Questo era un problema per Einstein. Secondo i suoi calcoli, lo spazio era dinamico, o si contraeva o si espandeva.
Per risolvere questa discrepanza nelle sue equazioni, aggiunse la costante cosmologica, un fattore per contrastare la forza di gravità. Ma quando si apprese la notizia che l’universo si stava espandendo, Einstein lasciò cadere il termine, definendolo il suo più grande errore.
Gli scienziati osservando supernovae hanno fatto una scoperta inaspettata. Confrontando la luminosità osservata attesa di queste esplosioni, hanno scoperto che l’espansione dell’universo sta accelerando.
Perché ciò sta accadendo era un mistero. Michael Turner, cosmologo teorico presso l’Università di Chicago, ha coniato il termine “energia oscura” per descrivere la causa sconosciuta di questa espansione accelerata. Per quasi due decenni, i fisici hanno sviluppato teorie su cosa potrebbe essere l’energia oscura. Alcuni propongono energia oscura statica, altri dicono che cambia nel tempo. Alcuni addirittura suggeriscono che potrebbe non esistere.
L’energia oscura è una “cosa” aggiuntiva nell’universo, oltre la materia normale e oscura. Due teorie principali descrivono quello che potrebbe essere: una costante cosmologica o qualcosa chiamata quintessenza.
La costante cosmologica è considerata un forte concorrente. Chiamata così dopo la correzione di Einstein, suggerisce che l’energia oscura è l’energia associata al vuoto dello spazio ed è rimasta invariata nel corso dei 14 miliardi di anni di storia dell’universo.
Immutabile e distribuita uniformemente nello spazio, continuerà a guidare l’accelerazione cosmica ad un ritmo costante fino a quando l’universo diventerà un luogo solitario freddo in cui le galassie diventeranno troppo distanti per vedersi. Gli scienziati favoriscono la costante cosmologica per la sua semplicità e perché prove sperimentali esistenti puntano ad essa.
Nonostante la sua popolarità, è afflitta da un grave problema concettuale: è molto più piccola di quanto dovrebbe essere. “La stima più semplice in meccanica quantistica darebbe un numero che è enorme rispetto alla dimensione reale della costante cosmologica se fosse energia oscura“, spiega Aaron Roodman, un fisico sperimentale del SLAC National Accelerator Laboratory. “Come si finisca con qualcosa che è diverso da zero e veramente piccolo, è molto misterioso.”
Alcuni fisici suggeriscono che il valore è zero e che l’energia oscura sia qualcosa di diverso dalla costante cosmologica. Una possibilità potrebbe essere che un campo genera l’energia che guida l’accelerazione cosmica; questo viene chiamato quintessenza. A differenza della costante cosmologica, non rimane immutabile nel tempo.
Questo modello dispone di sottoinsiemi che predicono in modo diverso come avvengono esattamente le variazioni di energia oscura. Un esempio è chiamata energia oscura fantasma, dove non solo l’espansione sta accelerando, ma anche l’accelerazione è in aumento nel corso del tempo. Questo porta ad uno scenario definito Big Rip, dove l’espansione diventa infinitamente veloce, facendo a pezzi galassie, atomi e il tessuto di spazio-tempo. È anche possibile che l’energia oscura non esista e qualcosa di strano stia succedendo con la gravità.
Le teorie di modifica della gravità permettono ogni sorta di possibilità. Una teoria incorpora una dimensione superiore dove la gravità può estendersi ma a cui non possiamo accedere direttamente. Questa dimensione può influenzare la nostra, e le interazioni sono in grado di produrre effetti come l’accelerazione cosmica.
Rivedere la gravità non è un compito facile. La teoria della relatività generale di Einstein si è dimostrata essere incredibilmente precisa, e tentativi di riscrivere le sue equazioni non hanno avuto gran successo. Cercando di adattare l’ accelerazione cosmica a queste equazioni le si rendono incapaci di spiegare fenomeni ben compresi, come ad esempio la Luna che gira attorno alla terra.
Gli scienziati hanno testato ampiamente la teoria di Einstein, ma hanno appena cominciando a indagare gli effetti dell’energia oscura sulle enormi scale intergalattiche. Se gli scienziati troveranno incongruenze, avranno scoperto il segno di una nuova fisica.
Nella ricerca per capire l’energia oscura, bisogna inizialmente stabilire se esista veramente e verificare se si adatta con l’idea della costante cosmologica.
Per fare questo, gli scienziati stanno studiando la storia dell’espansione dell’universo, così come la crescita delle galassie e altre strutture. La gravità e la costante cosmologica fanno previsioni molto precise su quello che si dovrebbe vedere, in modo che se si trovassero discrepanze, esse potranno aiutare ad escludere alcune di queste teorie.
Tuttavia, escludere possibilità non significa essere necessariamente vicini ad una risposta.
“Abbiamo bisogno di più dati sperimentali. Abbiamo bisogno di un altro indizio. Nulla di ciò che esiste è molto convincente“, dice Turner. “Il prossimo indizio potrebbe venire nelle prossime settimane, mesi o anni con gli esperimenti attualmente in esecuzione e futuri.”
Se chiedete a un fisico di scommettere su quale teoria sia la più probabile, la maggior parte metterebbe i soldi sulla costante cosmologica. Molti altri, invece, tra cui Scott Dodelson, un astrofisico del Fermilab che studia l’energia oscura, pensano che nessuna di queste teorie siano corrette. “È possibile che stiamo sbagliando nel modo di pensare e che abbiamo bisogno di ripensare le nostre interpretazioni delle osservazioni del tutto“, dice Dodelson.
Il destino ultimo del nostro universo è una domanda che gli esseri umani si fanno fin dagli albori della civiltà. La risposta potrebbe non essere dietro l’angolo, ma, sicuramente, è oggi più vicina di quanto lo sia mai stata.
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