I temi ‘oscuri’ della cosmologia

I temi 'oscuri' della cosmologia
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Il modello cosmologico standard, detto Lambda-CDM, si basa su 6 parametri che concordano con i dati osservativi. Nonostante sia alquanto semplice, il modello presenta delle stranezze poichè esso implica che la maggior parte della materia nell’Universo è presente sottoforma di materia scura, costituita da un tipo di particella subatomica che non è stata ancora rivelata in laboratorio, e che la maggior parte dell’energia associata allo spazio vuoto è presente invece in una forma di energia scura. L’esistenza di queste enigmatiche e oscure componenti richiede la necessità di utilizzare alcune estensioni del modello standard delle particelle elementari, come ad esempio la supersimmetria, e indicano che la relatività generale viene meno su scale cosmologiche. Una volta John Archibald Wheeler andava riassumendo così la “geometrodinamica”, come egli preferiva chiamare la teoria della relatività: “lo spaziotempo dice alla materia come muoversi e la materia dice allo spaziotempo come curvare”. I cosmologi osservano il moto degli atomi, sia nella forma di gas che di stelle, oppure seguono le traiettorie della luce che si propaga nello spazio per derivare la sua geometria. Queste misure della curvatura dello spaziotempo vengono utilizzate per determinare indirettamente la distribuzione totale della materia e dell’energia. Ma il fatto più importante è che ad oggi la materia ordinaria, cioè la materia visibile composta dagli atomi, rappresenta solamente il 5 percento del contenuto materia-energia dell’Universo.

Il modello standard funziona, ma a un prezzo
Le osservazioni della distribuzione delle galassie e dei quasar mostrano che l’Universo è all’incirca uniforme su larga scala e che la velocità di una galassia lontana dipende dalla sua distanza. La relatività generale implica che lo spazio si espande e che la sua origine è stata dovuta ad una grande esplosione iniziale: il Big Bang. Poiché l’Universo si espande, la luce viene arrossata, secondo un fenomeno noto come redshift cosmologico, perciò la luce che proviene da una galassia distante apparirà più rossa quando raggiunge i nostri telescopi. Le osservazioni che furono eseguite da Edwin Hubble verso la fine degli anni ’20 mostrarono che esiste una relazione lineare tra il redshift di una galassia e la sua distanza. Il nostro attuale modello cosmologico standard assume che la relatività generale e il modello standard delle particelle elementari rappresentino una buona descrizione dei fenomeni fisici dell’Universo. Inoltre, il modello assume che la geometria dell’Universo su larga scala sia spazialmente piatta: in altre parole, l’energia totale dell’Universo risulta uguale a zero. Ciò implica che la geometria euclidea sia valida su scale cosmologiche. Nonostante la geometria dell’Universo sia molto semplice, la sua composizione è alquanto strana: l’Universo non è solo composto da atomi (la maggior parte dei quali sono idrogeno ed elio) ma esistono altre due componenti dominanti, di cui non conosciamo ancora nulla, che gli astronomi chiamano materia scura ed energia scura. Il modello cosmologico più comunemente accettato ipotizza che subito dopo il Big Bang l’Universo subì un periodo di rapida espansione esponenziale, detta fase dell’inflazione cosmica, che diede forma e volume allo spazio. La radiazione cosmica di fondo rappresenta il calore residuo di questa fase di rapida espansione. Inoltre, secondo il modello dell’inflazione cosmica, le minuscole fluttuazioni quantistiche sarebbero state amplificate in variazioni di densità che sono “quasi invarianti di scala”, cioè hanno quasi la stessa ampiezza su tutte le scale spaziali. Queste variazioni di densità causarono l’emergere di onde sonore che si propagarono nello spazio lasciando una sorta di “impronta digitale” nella radiazione cosmica di fondo e nella distribuzione su larga scala delle galassie. Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo rappresentano perciò una finestra nell’Universo giovane quando aveva una età di appena 380 mila anni dopo il Big Bang. Durante questa epoca, gli elettroni e i protoni si combinarono per formare l’idrogeno. Una volta che l’Universo divenne neutro, i fotoni del fondo a microonde furono in grado di propagarsi liberamente e le onde sonore determinarono una sorta di minima scala caratteristica che indica la distanza lungo la quale le onde acustiche si sono propagate nel corso di 380 mila anni. Questa scala spaziale caratteristica, detta “scala barionica acustica”, viene utilizzata dagli astronomi come una sorta di “righello cosmico” che serve per misurare la geometria dello spazio e quindi per determinare la densità dell’Universo. Le osservazioni delle fluttuazioni della temperatura e della polarizzazione nella radiazione cosmica di fondo, sia dallo spazio che da terra, permettono di verificare il modello cosmologico standard e di determinare i suoi parametri fondamentali. Un modello che ha sorprendentemente sei parametri (l’età dell’Universo, la densità degli atomi, la densità della materia, l’ampiezza delle fluttuazioni di densità, la loro dipendenza dalla scala spaziale e l’epoca della formazione delle prime stelle) fornisce una descrizione dettagliata di tutte le proprietà statistiche delle attuali misure della radiazione cosmica di fondo. Lo stesso modello descrive inoltre le osservazioni della distribuzione delle galassie su larga scala, le misure della costante di Hubble, il ritmo dell’espansione cosmica (accelerata) e la misura delle distanza dellesupernovae. Ma il suo successo ha un prezzo: gli atomi costituiscono solamente il 5 percento della composizione dell’Universo; il modello standard assume che la materia scura domini la massa delle galassie e che l’energia scura, ossia l’energia associata allo spazio vuoto, tenga conto della maggior parte della densità dell’energia dell’Universo.
 Le componenti multiple che compongono il nostro Universo espresse in frazioni percentuali che evolvono nel tempo.
Le componenti multiple che compongono il nostro Universo espresse in frazioni percentuali che evolvono nel tempo. Le osservazioni astronomiche e la teoria cosmologica suggeriscono che la composizione dell’Universo sia sorprendentemente ricca e complessa allo stesso tempo. Come si evince dalla figura, l’energia scura comprende il 69 percento del contenuto massa-energia dell’Universo, la materia scura tiene conto del 25 percento e solo il 5 percento è dato dalla materia ordinaria. Esistono poi dei contributi secondari che sono dovuti a tipi diversi di neutrino (0,1 percento), alla radiazione cosmica di fondo (fino a 0,01 percento) e ai buchi neri (almeno 0,005 percento).
E’ là fuori, ma non si vede
Nel 1933, Fritz Zwicky mostrò che le velocità delle galassie nell’ammasso della Chioma erano troppo elevate rispetto alle precedenti stime basate solamente sulla massa delle galassie, implicando l’esistenza di una certa quantità di massa aggiuntiva presente nell’ammasso di galassie. Negli anni ’50, altre osservazioni indicarono che il Gruppo Locale di galassie poteva diventare dinamicamente stabile solo se conteneva una quantità apprezzabile di materia invisibile. Ma dagli anni ’70, gli astronomi sostennero che la massa sia negli ammassi che nelle singole galassie doveva aumentare con le dimensioni degli oggetti ed era indipendente dalla componente associata alla materia ordinaria. Studi successivi condotti da Vera Rubin sul moto del gas e delle stelle nelle regioni più esterne delle galassie a spirale fornirono l’evidenza definitiva dell’esistenza di aloni massicci di materia non visibile che doveva essere necessariamente presente nelle galassie. Perciò, a partire dagli anni ’80 il concetto di materia scura è diventato parte integrante del paradigma cosmologico. La radiazione cosmica di fondo e la struttura su larga scala implicano che la materia scura sia 5 volte più abbondante della materia ordinaria. Le osservazioni implicano inoltre che la materia scura interagisca molto debolmente con i fotoni, gli elettroni e i protoni. Se oggi la materia scura fosse composta di atomi, rispetto alle fasi primordiali della storia cosmica, sarebbe composta di ioni ed elettroni e avrebbe lasciato una chiara “impronta” nella radiazione cosmica di fondo. Perciò, la materia scura deve essere di origine non-barionica e quindi “scura”, cioè invisibile. Le osservazioni della struttura su larga scala e le simulazioni della formazione delle galassie implicano che la materia scura debba essere anche “fredda”: in altre parole, le particelle che la compongono devono essere in grado di addensarsi su piccole scale. Le simulazioni della formazione delle strutture con materia scura fredda (ed energia scura) sono generalmente più consistenti nel riprodurre le osservazioni della distribuzione delle galassie su larga scala. Quando vengono combinate con le simulazioni idrodinamiche che modellano gli effetti della formazione stellare, le simulazioni possono riprodurre le proprietà osservative di base delle galassie. Gli ammassi supermassicci sono laboratori importanti per studiare le proprietà della materia scura. Si ritiene che questi ammassi siano dei “chiari campioni” dell’Universo dato che il rapporto misurato tra la materia scura e la materia ordinaria negli ammassi è molto vicino al valore cosmologico. Le osservazioni nella banda X dello spettro elettromagnetico permettono di tracciare direttamente la distribuzione della materia (barionica) ordinaria poiché la maggior parte degli atomi del gas presente nell’ammasso sono ionizzati. Così come venne discusso inizialmente dallo stesso Zwicky, le osservazioni del lensing gravitazionale relativo alle galassie di fondo, cioè quelle più distanti, permette di mappare direttamente la distribuzione totale della materia presente nell’ammasso. Oggi, dopo oltre 75 anni da quando Zwicky aveva suggerito questo metodo, gli astronomi utilizzano grandi fotocamere sul telescopio spaziale Hubble per realizzare mappe dettagliate della distribuzione di materia dell’ammasso. Queste osservazioni rivelano quantità considerevoli di sottostrutture di materia scura generalmente consistenti con le previsioni prodotte dalle simulazioni numeriche. Su scale più piccole, le galassie nane rappresentano un altro banco di prova astronomico per verificare le teorie sulla materia scura. Il potenziale gravitazionale di questi sistemi galattici dominati dalla materia scura è alquanto superficiale, cioè poco profondo, perciò le proprietà previste per gli aloni nelle galassie nane sono molto sensibili alle proprietà della materia scura. Diversi gruppi di ricercatori hanno sostenuto il fatto che le proprietà osservate delle galassie nane non sono consistenti con le simulazioni numeriche. Sebbene alcuni astrofisici sostengano che la costruzione di modelli più appropriati della formazione stellare possa eliminare queste discrepanze, altri suggeriscono che sia necessario tener conto delle auto-interazioni della materia scura per uguagliare le simulazioni con le osservazioni. Tutti gli argomenti astronomici relativi all’esistenza della materia scura assumono che la relatività generale sia valida su scale galattiche. Teorie alternative della gravità, come ad esempio le teorie MOND, permettono di descrivere la materia scura modificando la fisica dell’interazione gravitazionale. Anche se questi modelli descrivono bene le osservazioni su scale galattiche, tuttavia essi presentano delle difficoltà per spiegare le fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo e le osservazioni degli ammassi, in particolare il caso del Bullet Cluster (post).
Superparticelle e particelle esotiche
L’esistenza di una forma non-barionica di materia scura implica che ci deve essere una nuova fisica al di là del modello standard delle particelle elementari. I fisici delle particelle hanno suggerito una serie di possibilità, alcune motivate dalle idee di fisica fondamentale e altre dal desiderio di spiegare i fenomeni astrofisici. L’Universo delle origini fu davvero un potente acceleratore di particelle. Alle temperature e densità estreme che caratterizzavano le fasi primordiali della storia cosmica, era presente un grande numero di particelle. Gli esperimenti sulla radiazione cosmica di fondo hanno permesso di rivelare le tracce di un certo numero di neutrini prodotti nei primi istanti di vita dell’Universo, durante i quali si sarebbero potute creare anche le particelle di materia scura. La supersimmetria, la teoria più accreditata come estensione del modello standard della fisica fondamentale, fornisce dei potenziali candidati della materia scura. Le particelle possono essere suddivise in due tipi: fermioni e bosoni. I fermioni seguono il principio di esclusione di Pauli: solo una particella si può trovare in un singolo stato quantico. I bosoni, invece, si possono trovare nello stesso stato quantico. Gli elettroni sono fermioni mentre i fotoni sono bosoni. La supersimmetria sarebbe una sorta di nuova simmetria della natura che lega ad ogni bosone una particella partner di tipo fermione e viceversa. Questa simmetria implica una serie di nuove particelle: ad esempio, al fotone corrisponderebbe il “fotino” e all’elettrone corrisponderebbe la particella supersimmetrica “selettrone”. Uno degli obiettivi del Large Hadron Collider (LHC) con il prossimo Run 2 sarà proprio quello di cercare queste superparticelle. L’esistenza della particella supersimmetrica più leggera (LSP) potrebbe essere verificata sperimentalmente. Queste particelle sarebbero state prodotte in grande abbondanza nei primi momenti della storia cosmica subito dopo il Big Bang. Per alcuni parametri della supersimmetria, l’abbondanza della particella LSP è proprio quella che è necessaria per spiegare la materia scura. Questo successo è un esempio del cosiddetto “miracolo WIMP” della cosmologia: una particella massiccia che interagisce debolmente, cioè una particella che interagisce attraverso lo scambio di particelle che hanno masse confrontabili con la massa delbosone di Higgs, avrebbe le proprietà giuste per essere la materia scura. Ma i fisici delle particelle hanno suggerito altri candidati, tra cui l’assione e una materia scura “asimmetrica”, cioè particelle le cui abbondanze non sono fissate dalla loro sezione d’urto ma da una asimmetria tra materia e antimateria (post). Se le particelle WIMP sono la materia scura, allora esse potrebbero essere rivelate mediante diverse modalità: la materia scura potrebbe essere creata in un acceleratore o essere vista negli esperimenti sotterranei o ancora attraverso le osservazioni astronomiche. Queste possibilità hanno portato ad un intenso programma di ricerca sulla materia scura. Questa ricerca ha prodotto alcuni momenti eccitanti. Si tratta di una serie di segnali interessanti che potrebbero rappresentare, forse, le prime rivelazioni di particelle di materia scura: 1) l’esperimento al Gran Sasso DAMA ha osservato una modulazione annuale nel tasso degli eventi misurati dal rivelatore la cui forma è consistente con quanto predetto teoria; l’interpretazione di questo risultato è dibattuta dato che altri esperimenti hanno fallito nel rivelare la materia scura e sembrano essere in contraddizione con questo segnale; 2) ci sono stati altri segnali relativi ad un eccesso di raggi-gamma provenienti dal centro della Via Lattea che cadono in un intervallo di masse potenzialmente legate alla materia scura; dato che esiste una elevata densità di materia scura nel centro galattico, essa potrebbe rappresentare la sorgente più brillante di fotoni di alta energia che vengono prodotti attraverso un processo di auto-annichilazione delle particelle di materia scura; tuttavia, il centro galattico contiene anche una serie di sorgenti astrofisiche che emettono fotoni di alta energia; tuttavia, le osservazioni di altre galassie hanno suggerito l’esistenza di materia scura con una massa ancora diversa; anche questo risultato sembra essere controverso e i cosmologi sperano di poter ottenere maggiori dati dalle galassie nane vicine per ricavare un segnale meno ambiguo; 3) il processo di annichilazione della materia scura nella Via Lattea potrebbe produrre positroni; gli esperimenti sui raggi cosmici hanno cercato questi segnali; la sfida di questi esperimenti è quella di separare questo segnale dalle sorgenti astrofisiche di raggi cosmici, come le pulsar. Si spera che gli esperimenti futuri potranno verificare l’attendibilità di questi risultati. La scoperta delle particelle di materia scura potrebbe risolvere una volta per tutte un grande mistero della fisica moderna, fornendo preziosi indizi sul ruolo che essa ha nella formazione delle galassie, ed essere il primo segnale di una nuova fisica al di là del modello standard.
L’energia del nulla
Quando Albert Einstein introdusse la sua teoria della relatività generale, egli aggiunse un termine: la costante cosmologica. Questo termine aveva lo scopo di generare una forza repulsiva che controbilanciasse l’attrazione gravitazionale dovuta alla materia e mantenesse stabile l’intero Universo. Ma verso la fine degli anni ’20, Hubble scoprì che le galassie si allontanano le une dalle altre a grande velocità, implicando l’espansione dell’Universo. La scoperta indusse i fisici ad eliminare per sempre la costante cosmologica. Motivati dall’evidenza osservativa a favore di un Universo con bassa densità e da un pregiudizio teorico che favoriva un Universo piatto, l’entusiasmo per la costante cosmologica venne rivisitato dagli astronomi durante gli anni ’70 e ’80. I fisici riconobbero che il valore della costante cosmologica rappresentava davvero un problema di fisica fondamentale. Un Universo dominato da un termine cosmologico costituisce un luogo molto strano dove vivere. Noi pensiamo alla gravità come una forza attrattiva. Se lanciamo una palla verso l’alto, la forza di gravità della Terra la rallenta per poi farla cadere. Analogamente, la gravità (in assenza di una costante cosmologica) rallenta l’espansione dello spazio. Immaginate se lanciando la palla verso l’alto, vedessimo che essa accelera anziché rallentare. Questo è l’effetto che la costante cosmologica produce sul ritmo di espansione dell’Universo. Le osservazioni delle supernovae hanno fornito una evidenza sperimentale che l’espansione dell’Universo sta di fatto accelerando. Una particolare classe di supernovae, dette di tipo Ia, servono come “candele standard” per determinare con grande precisione la loro distanza poiché la luminosità emessa è pressoché uguale per tutte. Determinando perciò la distanza in funzione del redshift della galassia ospite, le supernovae Ia permettono di ricavare il ritmo dell’espansione dello spazio in funzione del tempo. Verso la fine degli anni ’90, gli astronomi riportarono il risultato sorprendente che l’espansione dell’Universo sta davvero accelerando. Nel corso degli ultimi 15 anni, questa evidenza ha continuato a rafforzarsi sempre più. Le misure della scala acustica barionica, sia nella radiazione cosmica di fondo che nella distribuzione delle galassie in funzione della loro distanza, ha permesso di tracciare la scala dell’Universo fino all’epoca della ricombinazione, ossia quando l’Universo aveva una età di 380 mila anni. Inoltre, le misure del tasso di crescita delle strutture in funzione del redshift hanno rafforzato l’evidenza a favore dell’accelerazione cosmica. Il motivo per cui l’Universo sta accelerando si basa sul fatto che la costante cosmologica (o in maniera equivalente l’energia dello spazio vuoto) sta causando l’accelerazione cosmica. Esiste anche un’altra possibilità in base alla quale l’accelerazione dell’espansione dell’Universo sia, invece, causata da un campo scalare che riempie tutto lo spazio (come il campo di Higgs o l’inflatone responsabile dell’inflazione cosmica). Entrambe le due possibilità vengono denominate con il termine “energia scura”. Dato, però, che tutte le evidenze a favore dell’energia scura utilizzano le equazioni della relatività generale per interpretare le nostre osservazioni relative all’espansione dell’Universo e alla sua evoluzione, una conclusione alternativa è che sia richiesta una nuova teoria della gravità per spiegare le osservazioni. Alcuni modelli includono teorie della gravità modificata con dimensioni spaziali extra. Le osservazioni future potranno determinare la sorgente dell’accelerazione cosmica e quindi far luce sulla natura dell’energia scura. Le nostre osservazioni possono misurare due effetti differenti: la relazione tra la distanza e il redshift e il tasso di crescita delle strutture cosmiche. Se la relatività generale è valida su scale cosmologiche, allora queste due misure dovrebbero essere consistenti. Inoltre, queste misure permetteranno di determinare le proprietà fondamentali dell’energia scura. Gli astrofisici stanno attualmente realizzando tutta una serie di esperimenti che hanno lo scopo di usare il grado di addensamento delle galassie e le osservazioni delle supernovae per misurare la distanza e il lensing gravitazionale per misurare il tasso di crescita delle strutture cosmiche. Queste osservazioni sono complementari con quelle della radiazione cosmica di fondo che fornisce misure indipendenti del lensing gravitazionale e misure più precise delle strutture cosmiche. Nella prossima decade, osservazioni ancora più precise e dettagliate permetteranno di mappare la struttura su larga scala dell’Universo nel corso degli ultimi 10 miliardi di anni e di tracciare la distribuzione della materia su un’area di cielo sempre più grande. Si spera così che tali osservazioni forniscano ulteriori indizi sulla sorgente che determina l’espansione cosmica accelerata.
Conclusioni
Nonostante sia trascorso un secolo dalla pubblicazione della relatività generale, la teoria di Einstein rimane una idea potente, anche se dibattuta, nell’ambito della cosmologia. Si tratta di una delle assunzioni base del modello cosmologico standard: un modello consistente con le osservazioni ma che implica allo stesso tempo l’esistenza di due componenti “oscure”. Ciò significa che la nostra comprensione della fisica è incompleta. Avremo perciò bisogno di nuove idee, così profonde come la relatività generale, e richiedere osservazioni ed esperimenti più potenti che possano risolvere, almeno così si spera, questi misteri della cosmologia moderna.
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