L’universo morirà a causa dell’energia oscura?

Uno dei più grandi misteri di tutta la fisica è l’energia oscura. Secondo le nostre migliori osservazioni, l’Universo non può essere fatto solo di materia e radiazione, ma richiede un componente aggiuntivo diverso da qualsiasi altra cosa che conosciamo. Non si raggruppa o si raggruppa; non ha una particella o un quanto associato di cui siamo a conoscenza; sembra essere lo stesso ovunque, in ogni momento e in tutte le direzioni. Sebbene possiamo descrivere come influisce sull’universo e imporre vincoli ai comportamenti che non mostra, non sappiamo ancora esattamente cosa sia l’energia oscura.
È assolutamente possibile che l’energia oscura sia banale: una forma di energia inerente al tessuto dello spazio stesso che non cambia mai, si evolve, si rafforza, si indebolisce o fa qualcosa di diverso da quello che osserviamo fare oggi. Ma c’è sempre la possibilità che l’energia oscura sia più complessa dell’entità più semplice che normalmente assumiamo sia. Fino a quando non capiremo meglio cos’è l’energia oscura e come funziona, dobbiamo accettare una possibilità straordinariamente scomoda: che l’energia oscura potrebbe finire per distruggere l’Universo, dopotutto.
Se vuoi capire cos’è l’energia oscura e come funziona, il punto più semplice da cui iniziare è l’inizio del nostro universo come lo conosciamo: il Big Bang caldo. Nel primo istante del Big Bang, lo spazio era incredibilmente caldo e denso, pieno di materia, antimateria e radiazioni a energie enormi. Ma si stava anche espandendo in modo incredibilmente rapido, alla giusta velocità iniziale per bilanciare la forza attraente della gravità. Era in corso una specie di gara, con tutte le diverse forme di energia che lavoravano per attrarsi a vicenda gravitazionalmente, mentre l’espansione iniziale cercava di allontanare qualsiasi cosa da tutto il resto. Il Big Bang è stato il punto di partenza di questa gara e ci sono tre modi in cui questa corsa può finire:
la gravitazione vince, supera l’espansione e fa contrarre l’Universo verso il punto inziale,
l’espansione vince, poiché la gravitazione non può riunire le cose e le strutture continuano per sempre ad allontanarsi le une dalle altre, oppure le due cose si bilanciano perfettamente, poiché il tasso di espansione scende a zero ma la gravità non riesce ad attrarre la materia contraendo l’universo.
Come possiamo, dunque, conoscere il destino ultimo dell’Universo? È molto semplice e molto complicato allo stesso tempo. Da un punto di vista teorico, il tasso di espansione dell’Universo deve cambiare nel tempo, governato dalle leggi della Relatività Generale. Man mano che l’Universo si espande, diventa meno denso e si raffredda. Pertanto, possiamo capire come l’Universo si espande semplicemente misurando quanto sia gravemente spostata la luce dalle galassie, a diverse distanze, dall’espansione dell’Universo.
Alla fine degli anni ’90, avevamo dati sufficienti grazie all’osservazione di molte galassie. Quello che abbiamo scoperto è stato scioccante: le galassie lontane non stanno rallentando la loro recessione da noi, ma stanno invece accelerando.
Se avessimo potuto osservare una singola galassia dall’inizio del Big Bang, l’avremmo vista allontanarsi dalla nostra prospettiva in modo incredibilmente rapido, quindi rallentare per più di 7 miliardi di anni nella sua recessione da noi, allontanandosi sempre più lentamente perché la gravità stava riuscendo a contrastare l’espansione. E poi, circa 6 miliardi di anni fa, quella galassia avrebbe smesso di rallentare, passando di nuovo ad accelerare mentre si allontanava da noi.
L’unica spiegazione coerente con la Relatività Generale e con l’intera suite di dati che abbiamo raccolto è questa: c’è una componente aggiuntiva nell’Universo che va oltre la materia oscura, la materia normale, i neutrini, le radiazioni, i buchi neri e le onde gravitazionali. Non si evolve molto nel tempo e diventa importante solo quando la densità di materia e radiazione scende al di sotto di un valore critico. Per quanto ne sappiamo, si comporta come se fosse una forma di energia inerente al tessuto dello spazio stesso: l’energia oscura.
Se l’energia oscura è ciò che sembra, ciò ha alcune implicazioni enormi e profonde per il destino futuro del nostro universo. Sulla base del suo comportamento attuale, siamo tentati dai dati di dedurre che l’energia oscura è una costante: la sua densità di energia non cambia con il tempo. Ciò significa che, man mano che l’Universo si espande e il suo volume aumenta, guadagna effettivamente energia (questo viola il principio di conservazione dell’energia, sì, ma l’energia non è conservata per l’Universo in espansione).
Se questo è davvero il caso, allora il lontano futuro del nostro Universo è semplice. Gli oggetti che erano già legati tra loro gravitazionalmente circa 6 miliardi di anni fa, appena prima che l’energia oscura iniziasse a dominare l’espansione dell’Universo, rimarranno legati insieme, quindi la Via Lattea e persino il Gruppo Locale sono al sicuro. Ma le strutture su scale più grandi continueranno ad espandersi l’una dall’altra e sembreranno allontanarsi tra loro sempre più velocemente col passare del tempo.
Alla fine, il nostro gruppo locale si fonderà in un’unica galassia gigante, così come tutti gli altri gruppi di galassie e ammassi di galassie, mentre si espandono reciprocamente l’uno dall’altro. Col passare del tempo, queste enormi galassie accelereranno al punto che se vi inviassimo un veicolo spaziale in grado di viaggiare alla velocità della luce, questo non raggiungerebbe mai la propria destinazione. Sorprendentemente e in modo sconcertante, questo è già accaduto per ogni galassia nel nostro Universo che si trova a più di 18 miliardi di anni luce di distanza, circa il 94% delle galassie nell’Universo osservabile.
Se l’energia oscura è davvero una costante, il nostro universo finirà in un grande congelamento e il nostro destino sarà freddo e solitario. A differenza dello scenario “l’espansione sconfigge la gravitazione” di cui abbiamo parlato all’inizio, però, l’espansione vince decisamente, e la vittoria diventa più decisiva quanto più tempo passa. Ci sono due ragioni plausibili per cui l’energia oscura si comporta in questo modo, e non sappiamo quale (se una delle due) è corretta:
Costante cosmologica – nella Relatività generale, possiamo aggiungere una “costante” alla teoria che influenza la velocità di espansione dell’Universo. Se questa costante è positiva e diversa da zero, potrebbe facilmente essere responsabile dell’energia oscura.
L’energia del punto zero del vuoto quantistico – Nella teoria dei campi quantistici, lo stato di energia più bassa di un sistema, noto come stato fondamentale, non deve essere zero, ma può essere un valore finito, diverso da zero. Se lo stato fondamentale dello spazio vuoto ha un valore positivo e finito, anche questo potrebbe essere responsabile dell’energia oscura.
Ma non c’è alcuna ragione intrinseca per limitarci a questi scenari semplici ma privi di fantasia. Infatti, se pensiamo all’idea di energia-inerente-al-tessuto-dello-spazio, c’è un altro momento nella storia dell’Universo in cui quell’effetto avrebbe dovuto essere importante: durante l’inflazione cosmica, che ha preceduto e impostato il caldo Big Bang. L’inflazione ha dilatato l’universo e gli ha conferito le stesse proprietà ovunque, e si è conclusa solo quando – in qualche modo (non sappiamo esattamente come) – l’energia che era in precedenza inerente al tessuto dello spazio è stata trasferita in particelle e radiazioni, dando inizio al caldo Big Bang.
Per più di 20 anni, i ricercatori hanno speculato su un possibile legame tra inflazione ed energia oscura, con teorie che combinano i due ipotizzando una “quintessenza”, il nome originale dato al “quinto elemento” quando gli altri quattro erano terra, fuoco , acqua e aria. Oggi ci sono quattro forze fondamentali: gravitazione, elettromagnetismo e forze nucleari forti e deboli. La possibilità che ci sia una quinta forza fondamentale, e che abbia gonfiato e accelerato l’Universo, è l’incarnazione moderna di questa idea quintessenza.
La grande differenza tra una costante cosmologica o un’interpretazione dell’energia del punto zero dell’energia oscura e un’interpretazione della quintessenza è che le prime due non cambiano nel tempo, mentre la quintessenza può. Infatti, se la grande idea di quintessenza è corretta, significa necessariamente che è cambiata almeno una volta: da poco prima della fine dell’inflazione fino all’inizio del caldo Big Bang. E se è cambiato una volta e oggi non è in uno stato completamente stabile, potrebbe cambiare ancora.
È quella possibilità di cambiamento che getta un’ombra oscura su ogni tentativo di prevedere il nostro lontano futuro. Se l’energia oscura non è una costante perfetta e stabile, allora qualsiasi conclusione che traiamo sul destino finale dell’Universo cambierà se tale ipotesi si rivelerà errata. Sebbene abbiamo posto vincoli abbastanza buoni su quanto costante sappiamo essere l’energia oscura, sono buoni solo fino a circa il 10%. L’osservatorio Nancy Grace della NASA – una versione ad ampio campo e ad alta potenza di Hubble (precedentemente noto come WFIRST) – migliorerà di dieci volte questi vincoli, dandoci la capacità di rilevare eventuali dissonanze nell’energia oscura fino al livello di ~ 1%.
Se è possibile che l’energia oscura abbia dei valori variabili, emergono tre affascinanti possibilità di come il nostro destino potrebbe essere diverso.
L’energia oscura potrebbe passare spontaneamente a uno stato di energia inferiore. Questo evento, noto come decadimento del vuoto, cambierebbe spontaneamente le leggi / costanti della natura, distruggendo la materia che conosciamo a livello subatomico. Ovunque si verificherà questa transizione, questa influirà su tutto in quello spazio e la transizione dovrebbe propagarsi verso l’esterno alla velocità della luce. Se mai ci raggiungerà, ci distruggerà senza darci la possibilità di accorgercene.
L’energia oscura potrebbe aumentare (o diminuire) lentamente e gradualmente con il tempo. Se l’energia oscura diventerà più forte con il tempo, lo spazio alla fine si farà a pezzi, portando al cosiddetto Big Rip, lacerando, infine, gli atomi stessi. In alternativa, se l’energia oscura aumentasse di grandezza ma invertisse il suo segno (da positivo a negativo), l’Universo collasserà e finirà con un Big Crunch, dopotutto.
L’energia oscura potrebbe lentamente decadere. Piuttosto che un cambiamento tutto in una volta, l’energia oscura potrebbe subire una lenta conversione in coppie particella / antiparticella o radiazione. Questo potrebbe alterare il nostro destino rimettendoci sul percorso critico dell‘universo, dove il tasso di espansione scende a zero mentre l’ultima energia oscura decade.
Tutto questo non significa necessariamente che l’energia oscura sia la cosa più semplice che possiamo pensare. Ciò non significa che l’energia oscura sia una costante semplice e immutabile, e che ha avuto un certo valore per 13,8 miliardi di anni, e quel valore non cambierà mai. Invece, l’energia oscura potrebbe assumere una vasta gamma di proprietà e se vogliamo limitare ciò che può o non può essere, abbiamo bisogno di dati e misurazioni superiori. Il futuro dell’Universo può essere compreso, ma solo continuando ad osservare. Fino a quando non saremo abbastanza bravi da escluderlo, dobbiamo considerare che l’energia oscura possa finire per causare la rovina definitiva dell’Universo.
Fonte: Forbes