Cos’è la costante cosmologica

Non sappiamo cosa sia esattamente la costante cosmologica, ma la sua introduzione nelle equazioni cosmologiche consente accordare la teoria che descrive il nostro universo con le nostre osservazioni

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La costante cosmologica è forse una misteriosa forma di materia o energia che si oppone alla gravità ed è considerata da molti fisici l’equivalente dell’energia oscura.

Non sappiamo cosa sia esattamente la costante cosmologica, ma la sua introduzione nelle equazioni cosmologiche consente di accordare la teoria che descrive il nostro universo con le osservazioni.

A introdurre la costante cosmologica fu Albert Einstein, il geniale fisico tedesco naturalizzato americano, che la inserì nelle sue equazioni come “costante universale” nel 1915, la grandezza gli serviva per bilanciare alcuni calcoli nella sua teoria della relatività generale.

All’epoca, la maggior parte dei fisici ritenevano che l’universo fosse statico, eterno e immutabile, ma le equazioni di Einstein suggerivano che la gravità avrebbe fatto sì che l’universo si fosse espanso o si fosse contratto.

Quindi, per “correggere” le sue equazioni con il consenso scientifico, Einstein “le sporcò” inserendo nella sua equazione un fattore, indicato dalla lettera greca lambda, che garantiva la perfetta staticità del cosmo.

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La costante cosmologica “lambda” introdotta da Einstein corrisponde a una forza repulsiva che, a differenza della gravità, risulta indipendente dalla densità di materia e riesce a compensare l’espansione cosmica.

Il termine ha un’influenza trascurabile sulla scala delle dimensioni del Sistema solare, mentre diventa apprezzabile su scala cosmologica.

Una decina di anni dopo, l’astronomo americano Edwin Hubble osservando le galassie, si accorse che queste immense strutture composte da centinaia di miliardi di stelle si stavano effettivamente allontanando dalla Terra, indicando che l’universo non era affatto statico ma che in realtà si stava espandendo. 

Einstein ricevuta la notizia della scoperta definì la costante cosmologica “l’errore più grande della sua vita”.

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La scoperta dell’espansione dell’universo fatta da Hubble metteva fine alla necessità di una costante cosmologica.

Ma dopo alcuni decenni le cose sono cambiate nuovamente. Un gruppo di astronomi alla fine degli anni ’90, mentre studiava le supernove lontane ha scoperto che l’universo non solo si espande, ma lo fa in maniera accelerata.

La costante cosmologica e l’energia oscura

C’è una forza nell’universo che contrasta la gravità espandendo in qualche modo il tessuto spaziotemporale, una forza “antigravitazionale” che data la sua misteriosa essenza è stata chiamata energia oscura.

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Negli anni ’20, il fisico russo Alexander Friedmann sviluppò un’equazione, ora chiamata equazione di Friedmann, che descrive le proprietà dell’universo dal Big Bang in poi.

Inserendo nuovamente la costante cosmologica lambda nelle equazioni di Friedmann, i ricercatori hanno potuto modellare correttamente il cosmo, che ha mostrato un tasso di espansione accelerato.

Questa versione dell’equazione di Friedmann costituisce ora la base della teoria cosmologica moderna, nota come ΛCDM (Lambda CDM, dove CDM sta per materia oscura fredda) e rappresenta tutte le componenti conosciute della realtà.

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Tuttavia, nessuno sa cosa sia lambda. La maggior parte dei fisici lo considera una forza che può rappresentare la stessa energia oscura, ma questo scambio non risolve il problema, l‘energia oscura è semplicemente una costante cosmologica che viene utilizzata per giustificare l’espansione accelerata.

I fisici e i cosmologi oggi utilizzano l’energia oscura come Einstein in passato ha utilizzato il concetto di lambda per bilanciare l’universo da lui ritenuto statico.

Possiamo trovare una spiegazione per la costante cosmologica nella fisica delle particelle. Gli esperimenti hanno verificato che lo spazio vuoto è occupato da particelle virtuali che emergono e si trasformano nuovamente in energia.

Questa azione da luogo a quella che è nota come “energia del vuoto”, una forza che emerge dallo spazio vuoto che potrebbe espandere l’universo.

Ma collegare l’energia del vuoto alla costante cosmologica non è semplice. Sulla base delle osservazioni sulle supernove, gli astronomi stimano che l’energia oscura dovrebbe avere un valore piccolo, ma sufficiente ad allontanare ogni cosa presente nell’universo per miliardi di anni.

Tuttavia, quando gli scienziati cercano di calcolare la quantità di energia che dovrebbe derivare dal movimento delle particelle virtuali, ottengono un risultato di 120 ordini di grandezza maggiore di quanto suggeriscono i dati ottenuti dallo studio sulle supernovae.

Per svelare l’enigma, alcuni ricercatori hanno proposto che la costante cosmologica potrebbe non essere affatto una “costante”, ma piuttosto una quantità che fluttua nel tempo.

Questa teoria è chiamata quintessenza e alcuni progetti, come il Dark Energy Survey, stanno già oggi compiendo osservazioni precise per vedere se ha un qualche supporto osservativo.

Nel frattempo, i cosmologi continueranno a ricorrere a lambda. Possono non sapere cosa sia, ma sanno che ne hanno bisogno per dare un senso all’universo.

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