martedì 16 aprile 2013

Un universo che accelera

Prendete un palloncino e disegnateci sopra un sacco di puntini. Poi iniziate a gonfiarlo. I puntini cominceranno ad allontanarsi l'uno dall'altro per effetto dell'espansione del palloncino (in realtà anche i puntini si allargano, quindi sarebbe più appropriato, benché più complicato, incollare delle monetine sul palloncino). 
Questo è un classico esempio che si fa a coloro che vogliono capire cosa significhi l'espansione dell'universo. Il punto centrale è che le galassie si muovono non perché esse siano dotate di una qualche  velocità ma piuttosto perché è lo spazio tra di esse ad espandersi come (non esattamente...ma più o meno dai!) si espande il tessuto del palloncino. 


Foto che rappresenta l'esempio del palloncino (Fonte: J.R.Eyerman/Time & Life Pictures/Getty Images).
Un momento! Le galassie si allontanano da noi? Allora noi siamo il centro! E invece no. Ricordate il palloncino? Ogni puntino si allontana l'uno dall'altro e se provate a fissarvi su uno di quei puntini vi sembrerà che tutti gli altri si stiano allontanando ma in realtà anche voi vi state allontanando dagli altri e così via.
Con questo non voglio dire che il nostro universo sia un palloncino, ma che dal punto di vista dei puntini la situazione è simile a quella delle galassie. Inoltre le teorie cosmologiche fanno una bella assunzione chiamata Principio Cosmologico. Questo principio afferma che, su grande scala, l'universo è omogeneo e isotropo cioè appare uguale indipendentemente dalla direzione e dal posto in cui si osserva. Questo fatto, che su piccole scale sembra assurdo, sembra essere ben testato e una forte prova a favore è l'elevato grado di isotropia (a meno di minuscole fluttuazioni) della radiazione cosmica di fondo come confermato anche recentemente dal satellite Planck. 


Simulazione di universo. Su grande scala abbiamo un universo omogeneo e isotropo a differenza di quello che si osserva su piccola scala (Fonte: http://www.mpa-garching.mpg.de).

Il primo astronomo che misurò l'espansione dell'universo fu l'americano Edwin Hubble nel 1929. Egli misurò velocità e distanze delle galassie e trovo che più una galassia è distante e più si allontana velocemente (come abbiamo già detto non sono le galassie ad allontanarsi ma è lo spazio tra esse ad espandersi). Questa relazione è chiamata legge di Hubble ed è stata confermata dai dati anche al giorno d'oggi. Inoltre se nella teoria si assume il Principio Cosmologico, la legge di Hubble risulta venir fuori anche matematicamente. 
Perché l'universo si espande? Questa è una domanda un po' strana perché in realtà l'espansione dell'universo, anzi dello spazio, è il modo in cui descriviamo ciò che osserviamo e non una legge fisica che non comprendiamo (poi un giorno ne parleremo forse...). Quindi non so fino a che punto abbia senso chiederselo; comunque non abbiamo idea del perché le cose stiano così, ovviamente.
Per esempio, Albert Einstein era un convinto sostenitore di un universo non in espansione. Però le equazioni della teoria della Relatività Generale da lui stesso calcolate dicevano che l'universo doveva espandersi in accordo alla teoria elaborata. Per questo motivo aggiunse un termine costante alle sue equazioni in maniera tale da poter ottenere come soluzione un universo statico. Questa costante è stata chiamata Costante Cosmologica. 
Ovviamente le misure di Hubble hanno messo da parte qualsiasi utilizzo della costante cosmologica. E Einstein dichiarò che aver introdotto la costante cosmologica era stato il più grande sbaglio della sua vita.
Tuttavia a volte la vita è strana. E infatti Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess hanno vinto nel 2011 il Premio Nobel per la fisica "per la scoperta dell'accelerazione dell'espansione dell'universo mediante le supernovae distanti". Scoperta avvenuta sul finire del secolo scorso.


Schmidt e Perlmutter che scherzano (Fonte: http://blogs.scientificamerican.com)
Come? Non solo l'universo si espande ma lo fa anche accelerando? 
Così pare. Non entriamo in questa sede nei dettagli delle osservazioni fatte pur essendo molto importanti (probabilmente lo faremo in seguito su questo blog, non disperate!).
La cosa importante da notare è che, se l'universo accelera allora diventa necessario introdurre qualcosa nelle equazioni che governano l'evoluzione dell'universo tale da permettere un'espansione accelerata. Ma cosa vuol dire aggiungere qualcosa nelle equazioni?
Bisogna capire cosa dicono le equazioni. Le equazioni che governano l'evoluzione dell'universo derivano dalle equazioni di Einstein. E cosa dicono quest'ultime? Dicono che la struttura dello spazio-tempo (non ci importa per il momento capire cosa significhi) dipende dal contenuto dell'universo. 
Per contenuto si intende materia, radiazione e altra robaccia. Altra robaccia? C'è dell'altro oltre a materia e radiazione? Beh, oltre alla materia ordinaria (chiamata barionica) vi è anche la materia oscura e questo si sapeva più o meno. Ma se vogliamo un universo che accelera allora ci vuole qualche altra cosa e questa componente viene chiamata energia oscura.
Quindi ricapitolando, se si vuole un universo che si espande accelerando bisogna aggiungere alle equazioni di Einstein e quindi a quelle che governano l'evoluzione dell'universo una componente chiamata energia oscura. Se poi questa componente si prende costante viene fuori che alla fine forse Einstein non ebbe tutti i torti ad introdurre la sua costante cosmologica (anche se per motivi totalmente differenti, visto che lui voleva un universo statico!).
Bene, quindi abbiamo a che fare con l'energia oscura, come se già non bastava quello che avevamo.
L'effetto fisico dell'energia oscura è un effetto anti-gravitazionale. Infatti la gravità fa attirare tra loro tutte le strutture dell'universo. Quindi questo vuol dire che la gravità, in un certo senso, frena l'espansione o, se vogliamo, la decelera. Se si aggiunge un effetto anti-gravitazionale o, se vogliamo, una gravità repulsiva, allora otteniamo, se questa energia oscura è dominante rispetto alla materia, un'espansione accelerata.
C'è un solo problema: non abbiamo la più pallida idea di cosa sia questa energia oscura. E non sappiamo nemmeno se si tratti di una costante cosmologica o qualcosa di più complicato. Niente, brancoliamo nel buio. Nel buio dell'universo per la precisione.
Si può misurare il valore dell'energia oscura o comunque cercare di capire di che si tratta? Certo! Si può fare tramite la radiazione cosmica di fondo oppure magari tramite le lenti gravitazionali. 
Insomma gli astrofisici sono al lavoro per cercare di risolvere uno dei misteri più intricati (anche uno dei più recenti) della fisica. 
Per il momento le osservazioni ci dicono che, se la teoria è esatta, l'universo sta accelerando. Per il resto staremo a vedere.