Il mistero dell’universo oscuro: resoconto di una serata all’Antares

Questo articoletto è stato scritto per il sito di Antares (lo trovate anche qui). Qui sul blog non ho forse ancora avuto occasione di citare Antares, il circolo astrofili di Legnano che mi ha permesso, da ragazzina, di incontrare l’astronomia e soprattutto delle persone oneste e estremamente appassionate che mi hanno guidato nella sua scoperta.

Venerdì 10 marzo è stata ospite da noi la dottoressa Paola Battaglia, che ha tenuto una conferenza sui due argomenti di punta della cosmologia contemporanea: la materia oscura e l’energia oscura.

Paola ha lavorato e sta lavorando di persona a questi due problemi aperti della cosmologia. In particolare, si occupa di cosmologia osservativa: ovvero di esperimenti che vanno a cercare di rivelare, misurare e comprendere  questi concetti di cui ancora non si sa quasi nulla e che si sta iniziando a sondare più nel profondo solo ora.

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Inizio della conferenza.
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Inizio della conferenza.
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La sala si riempie…

In questo momento Paola è impegnata nella missione Euclid dell’ESA, che volerà nel 2022 e che è dedicata alla ricerca della materia e dell’energia oscura: il satellite Euclid osserverà dallo spazio galassie e ammassi di galassie per mappare la geometria dell’universo, visibile e oscuro, misurando la forma e il redshift di galassie lontane fino a 10 miliardi di anni luce.

Negli anni passati Paola ha invece lavorato, tra le altre cose, alla missione Planck e all’analisi dei dati raccolti della radiazione cosmica di fondo – la mappa della prima luce del cosmo che svolge un ruolo decisivo in questo racconto.

Questi due concetti – la materia e l’energia oscura – sono forse ciò che c’è di più misterioso e che meno conosciamo sul nostro universo: per questo sentirne parlare in modo chiaro, affidabile e obiettivo da una scienziata che se ne occupa direttamente è stata un’esperienza estremamente interessante e stimolante.

Quello che effettivamente sappiamo sul nostro universo è rappresentato da questo diagramma: la materia detta “ordinaria” – ovvero quella di cui sono composte le stelle, il mezzo interstellare, i pianeti, le creature viventi… la materia che possiamo vedere e studiare perché è visibile in diversi modi – è una frazione piccolissima della composizione totale dell’universo: meno del 5%.

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È però proprio osservando solo questo 5% che gli astronomi hanno potuto pensare a queste altre due forme di energia e di materia che compongono il resto del cosmo – la maggior parte del cosmo.

Materia oscura ed energia oscura sono due concetti ben diversi tra loro, e Paola è andata a ripercorrerli: dallo loro scoperta e conferma, alle speculazioni teoriche e agli esperimenti correnti e futuri.

Non sappiamo cosa questa energia e questa materia siano, ci dice, ma vediamo i loro effetti e si è conosciuto qualcosa di più nei tempi recenti.

Gli ammassi di galassie sono gli oggetti più grandi e maestosi del nostro universo. La scoperta della materia oscura risale agli anni Trenta, quando l’astronomo Zwicky stava studiando l’ammasso di galassie della Chioma, Abell 1656: questo ammasso contiene più di mille galassie ed è lontano 300 milioni di anni luce.

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Ammasso di galassie della Chioma (Abell 1656). Credit: SDSS/Spitzer.

Zwicky stimò la massa dell’ammasso basandosi prima sulle misure di velocità delle galassie componenti, poi basandosi sulla loro luce… e non trovò lo stesso risultato: per giustificare le velocità elevate delle sue componenti, l’ammasso doveva essere in realtà molto più massivo di quanto si potesse stimare solo osservando la sua luce: doveva esserci una componente invisibile, partecipe però dell’attrazione gravitazionale. Negli anni Settanta, sono state compiute altre osservazioni, ad esempio del moto dei nubi di idrogeno nella galassia di Andromeda. Ancora, erano visibili gli effetti gravitazionali di una massa che non si riusciva a rivelare in altro modo.

Un’altra prova, esposta nei dettagli, della necessità di introdurre un tipo di materia nuovo, risiede proprio nella radiazione di fondo cosmico: essa apparirebbe in modo completamente diverso se materia ordinaria e oscura ed energia oscura fossero presenti in altre proporzioni tra loro. Un universo privo di materia oscura presenterebbe tutta un’altra “impronta” di fondo cosmico.

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Mappa della radiazione cosmica di fondo. Credit: PLANCK (ESA)

Paola ci ha narrato le tecniche principali usate per lo studio della materia oscura: le lenti gravitazionali e gli scontri tra galassie.

La materia deforma lo spaziotempo e la luce nel suo moto ne segue la curvatura: la luce che viaggia nello spazio  intergalattico fino a noi incontra le strutture cosmiche e ci indica in questo modo la presenza e la distribuzione di materia. Un ammasso di galassie è come se “piegasse” la luce e facesse da lente di ingrandimento: ci permette di vedere l’immagine,  ad esempio, di un’altra galassia, debole e lontana, nascosta dietro di esso. L’immagine di questa galassia viene deformata, moltiplicata, amplificata. A volte si distorce così tanto da formare un anello.

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Lente gravitazionale. Ammasso di galassie Abell 2218. Credit: ESA/HUBBLE.
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Lente gravitazionale. LRG 3-757. Credit: ESA/HUBBLE.

Aloni giganteschi di materia oscura circondano le galassie e gli ammassi di galassie, distorcendo fortemente lo spaziotempo con la loro massa.

La radiazione cosmica di fondo, anch’essa, altro non è che fotoni di luce partiti 380 mila anni dopo il Big Bang: anche questa luce aiuta a mappare la distribuzione di materia dell’universo: essa ha viaggiato 13 miliardi di anni ed è giunta fino a noi, attraversando l’intero universo osservabile.

Le galassie possiedono dunque al loro interno una grande quantità di materia oscura. Gli scontri tra galassie ci permettono di osservare come le stelle, le polveri e la componente oscura interagiscono con loro stesse.

L’energia oscura è un concetto, si può dire, ancora più nebuloso: una forma di energia introdotta per spiegare l’espansione accelerata dell’universo, la quale è stata scoperta studiando le velocità di allontanamento delle galassie lontane.

Negli anni venti, Hubble scoprì la legge lineare che lega la distanza alla velocità di recessione delle galassie: più una galassia è lontana, più si allontana velocemente rispetto a noi, perchè l’universo stesso che la trascina via nella sya espansione. Tempo dopo, sondando distanze più profonde e quindi tempi più remoti, si è visto che nel passato l’universo si è espanso più lentamente, per poi aumentare la sua velocità di espansione circo 8 miliardi di anni fa. Questa accelerazione è imputata ad una forma di energia che non era riconducibile a nulla conosciuto e per questo è stata chiamata oscura.

Anche la mappa della radiazione di fondo cosmico ha un ruolo decisivo nel provare l’esistenza dell’energia oscura…

Sono state citate tutte le teorie che stanno cercando di spiegare la natura di materia ed energia oscura. Ad esempio, ci ha raccontato quali tipi di particelle sono le possibili candidate per la composizione della materia oscura. Naturalmente, tutte le teorie fisiche aspettano una conferma sperimentale, e così ci ha parlato di quali esperimenti sono in atto e quali in programma.

Paola ha infine risposto alle domande del pubblico, facendo chiarezza, anche, su molte affermazioni fuorvianti che vengono riportate dai media e dai libri divulgativi.

Una serata, in definitiva, in cui si sono toccate due delle principali questioni aperte della cosmologia, e che ha fatto, in un certo senso, un po’ di luce su queste questioni “oscure”.

 

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