Gli scienziati hanno scoperto che una misteriosa pressione soprannominata "energia oscura" costituisce circa il 68 percento del contenuto totale di energia del cosmo, ma finora non ne sappiamo molto di più. Esplorare la natura dell'energia oscura è uno dei motivi principali per cui la NASA sta costruendo il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), un telescopio spaziale le cui misurazioni aiuteranno a illuminare il puzzle dell'energia oscura. Con una migliore comprensione dell'energia oscura, avremo un migliore senso dell'evoluzione passata e futura dell'universo.
Gli astronomi hanno misurato il tasso di espansione dell'universo usando telescopi terrestri per studiare esplosioni di supernova relativamente vicine. Il mistero si intensificò nel 1998 quando le osservazioni del telescopio spaziale Hubble di supernove più distanti aiutarono a dimostrare che l'universo in realtà si espandeva più lentamente in passato di quanto non faccia oggi. L'espansione dell'universo non sta rallentando a causa della gravità, come tutti pensavano annzi sta accelerando.
Sebbene non sappiamo ancora cosa stia causando esattamente l'accelerazione abbiamo una causa: l' energia oscura. Questa misteriosa pressione è rimasta sconosciuta per così tanto tempo perché è così debole che la gravità la nasconde sull'area degli esseri umani, dei pianeti e persino della galassia. È solo su un'area più vasta intergalattica che l'energia oscura diventa evidente, agendo come una sorta di debole opposizione alla gravità.
Che cos'è esattamente l'energia oscura? Ne sappiamo davvero molto poco ma i teorici stanno valutando un paio di possibili spiegazioni. L'accelerazione cosmica potrebbe essere causata da una nuova componente energetica, che richiederebbe alcuni aggiustamenti alla teoria della gravità di Einstein - forse la costante cosmologica, che Einstein chiamava il suo più grande errore, dopo tutto è reale.
In alternativa, la teoria della gravità di Einstein può rompersi su scale cosmologiche. In questo caso, la teoria dovrà essere sostituita con una nuova che incorpori l'accelerazione cosmica che abbiamo osservato. Gli scienziati non sanno ancora quale sia la spiegazione corretta, ma WFIRST ci aiuterà a scoprirlo.
Alla ricerca di ciò che non riusciamo a vedere
Sapete di cosa è fatto la maggior parte dell'universo? Non stelle, pianeti o persino atomi; circa il 95% dell'universo si compone di materia oscura e energia oscura che ne costituiscono quindi due degli ingredienti base; non possono essere misurate direttamente eppure la loro influenza è immensa. Ne sappiamo ancora molto poco visto che l'energia oscura fu scoperta per la prima volta nel 1998 descrivendola come una forza enigmatica e invisibile che spinge l'universo sempre più rapidamente, allontanandolo. Gli scienziati sospettano che abbia iniziato ad operare intorno ai 5 miliardi di anni fa ma oltre a questo si conosce ben poco. Imparare di più sull'energia oscura è uno dei motivi principali per cui la NASA ha costruito WFIRST, Wide Field InfraRed Survey Telescope un nuovo telescopio spaziale le cui prestazioni ci aiuteranno ad approfondire questa misteriosa componente cosmica. Senza un'adeguata comprensione dell'energia oscura, la nostra comprensione dell'evoluzione passata e futura dell'universo è sicuramente incompleta. WFIRST affronterà il problema dell'energia oscura utilizzando indagini di ampio campo diverse ma complementari; un'aspetto chiave sarà la misurazione chiamata redshift.
Redshift per misurare l'energia oscura
Osservando lo spazio vediamo che le galassie si stanno allontanando sempre più velocemente da noi. Questo si traduce in uno spostamento misurabile della luce di un oggetto verso una gamma di colori più rossi. Redshift indica quindi la velocità di espansione cun cui l'universo ci sta portando via le galassie. Se riusciamo anche a capire le distanze delle galassie con altri metodi, possiamo usare entrambe le informazioni per misurare come l'universo si è espanso mentre la luce della galassia stava viaggiando verso di noi. Per prima cosa mapperà le posizioni e le distanze di milioni di galassie. Questo consentirà agli astronomi di vedere come la distribuzione delle galassie è cambiata nel tempo rivelando come anche l'energia oscura si sia evoluta nel tempo cosmico. Si tratta di un modo alternativo di misurare l'energia oscura usando le stelle esplose cosiddette supernove di tipo "la" ovvero originate dall'esplosione di stelle nane bianche. L'esplosione di nane bianche, origina infatti quantità simili di luce ma più sono lontane più debolmente riusciamo ad osservarle. Misurando come appaiono le supernove di tipo la luminose riusciamo comunque a misurarne anche le distanze. Ed è proprio paragonando i redshift delle supernove alle loro apparenti luminosità che gli astronomi hanno scoperto l'energia oscura. Questi studi hanno dimostrato che le esplosioni redshift maggiori erano più deboli di quanto avrebbero dovuto essere in qualsiasi modello dove l'espansione dell'universo non stava accelerando.
La missione WFIRST della NASA
WFIRST studierà migliaia di esplosioni che raggiungono distanze ancora maggiori per misurare l'influenza dell'energia oscura nel tempo. Una stranezza dell'universo primordiale offre un'altro modo per definire l'energia oscura. Nel primo mezzo milione di anni si pensa che l'universo consistesse in un fluido diluito caldo e denso; piccoli cambiamenti di densità nel fluido venivano effettuati da onde sonore dette oscillazioni acustiche barioniche che lo attraversavano. Anche se queste onde sono ormai cessate, gli astronomihanno osservato la loro debole impronta nel modo in cui le galassie si raggruppano insieme e questo ci fornisce un altro modo per misurare le distanze delle galassie. WFIRST misurerà come questa impronta cambia attraverso la storia cosmica permettendo agli astronomi di mappare l'espansione dell'universo in modo più dettagliato e sondare gli effetti dell'energia oscura nel tempo. Con tecniche di controllo incrociato, le analisi di WFIRST scruteranno profondamente l'energia oscura fornendo dati importanti per aiutare gli scienziati a capire che cos'è esattamente e come determinerà il destino finale dell'universo.
La materia Oscura
Visitare una galassia nel nostro universo sembra essere un'impresa impossibile. Le galassie ruotano a una velocità tale che la gravità generata dalla loro materia osservabile non potrebbe assolutamente tenerle insieme; avrebbero dovuto dissolversi molto tempo fa. Lo stesso vale per le galassie nei cluster, il che porta gli scienziati a credere che qualcosa che non possiamo vedere sia all'opera. Pensano che qualcosa che dobbiamo ancora rilevare direttamente stia dando a queste galassie una massa in più, generando la gravità extra di cui hanno bisogno per rimanere intatte. Questa materia strana e sconosciuta è stata chiamata "materia oscura" poiché non è visibile.
Materia oscura
A differenza della materia normale, la materia oscura non interagisce con la forza elettromagnetica. Ciò significa che non assorbe, riflette o emette luce, rendendola estremamente difficile da individuare. In effetti, i ricercatori sono stati in grado di dedurre l'esistenza della materia oscura solo dall'effetto gravitazionale che sembra avere sulla materia visibile. La materia oscura sembra superare la materia visibile all'incirca sei a uno, costituendo circa il 27% dell'universo. Ecco un fatto che fa riflettere: la materia che conosciamo e che costituisce tutte le stelle e le galassie rappresenta solo il 5% del contenuto dell'universo! Ma cos'è la materia oscura? Un'idea è che potrebbe contenere "particelle supersimmetriche" - particelle ipotizzate che sono partner di quelle già note nel modello standard. Esperimenti effettuati nel Large Hadron Collider (LHC) presso il CERN di Ginevra possono fornire indizi più diretti sulla materia oscura.
Una teoria suggerisce l'esistenza di una "Hidden Valley", un mondo parallelo fatto di materia oscura che ha ben poco in comune con la materia che conosciamo. Se una di queste teorie si dimostrasse vera, potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio la composizione del nostro universo e, in particolare, il modo in cui le galassie si tengono insieme.
Studio della materia oscura e antimateria a bordo della ISS
Quasi tutti i film di fantascienza che raccontano di viaggi intergalattici ci descrivono astronavi alimentate con motori ad antimateria. Ma avere a bordo antimateria nella tua astronave non è di certo una bella notizia; se lo traducessimo nella nostra realtà saremmmo costantemente a pochi passi da un'eplosione di incredibile potenza. La scoperta di antimateria potrebbe portare al premio nobel per il tem di scienziati guidati dal fisico statunitense già premio nobel per la fisica Samuel Chao Chung Ting in tempi veramente brevi. Infatti ora abbiamo un importante alleato istallato a bordo della ISS; si tratta di " Alpha Magnetic" uno spettometro rilevatore di particelle operante a bordo della ISS la stazione spaziale internazionale. Alpha Magnetic dal 2011 ha contato oltre 400.000 positroni che sono altrettanti equivalenti elettroni di antimateria. Non c'è alcun pericolo di esplosioni ma la scoperta sta facendo scalpore nell'ambito della comunità scientifica. I dati mostrano l'esistenza di un nuovo fenomeno fisico. Esperimenti furono fatti fin dagli anni '30 nell'identificazione del passaggio di una particella con massa uguale all'elettrone ma carica elettrica opposta, cioè positiva: era il primo segno tangibile dell'esistenza dell'antielettrone, che oggi chiamiamo positrone. I dati sono stati consegnati dalla ISS allo Space Shuttle Endeavour nel suo volo finale avvenuto nel 2011.
Alpha Magnetic il " cacciatore" di materia oscura
In oltre un anno Alpha Magnetic ha analizzato 25 miliardi di eventi di raggi cosmici e di questi un numero incredibilmente alto sono stati classificati come positroni. I raggi cosmici sono particelle come protoni e nuclei di elio accelerati quasi alla velocità della luce derivanti da esplosioni di supernove o altri eventi violenti. I ricercatori hanno a lungo pensato che i raggi cosmici contengano parti di antimateria. Il satellite italiano Pamela in orbita sulla Terra, ha rilevato positroni ad alta energia nel 2009 e l'osservatorio di raggi gamma " Fermi" della NASA confermò la scoperta due anni dopo ma eravamo alla posizione dei positroni che provengono dall'universo il quale è quasi completamente privo di antimateria quindi la frazione dei positroni dei raggi cosmici rilevati di circa 10% è un po' sorprendente tanto da pensare che si tratti in realtà di materia oscura.
Gli astronomi sanno che la stragrande composizione dell'universo è in realtà fatta di materia oscura piuttosto che di materia ordinaria ma non sanno di cosa sia fatta realmente la materia oscura. Questa materia esercita la gravità ma non emette luce il che la rende diabolicamente invisibile e difficile da studiare. Una teoria di spicco sostiene che la materia oscura sia costituita da una particella chiamata "neutralino". Il neutralino è un oggetto complesso formato da un fotino, uno zino e da due higgsini. Secondo alcune teorie, dette supersimmetriche, per ogni particella esiste infatti un partner supersimmetrico, oltre che un'antiparticella di uguale massa, ma di carica elettrica opposta.
La materia oscura è fatta di neutralino ?
Nessuna collisione conosciuta sulle particelle del neutralino genera un alto numero di positroni che Alpha Magnetic dovrebbe essere in grado di rilevare con una precisione senza precendenti all'accuratezza dei suoi sofisticati apparecchi tecnologici con scarto di appena l'1% il che costituisce un risultato eccezionale. E ci sono statistiche provenienti da altri veicoli spaziali che supportano le prove di materia oscura ma avvertono che non escludono altre ipotesi come il fatto che derivino dalle pulsar ovvero stelle di neutroni fortemente magnetizzati. Queste stelle si sono formate all'indomani delle esplosioni delle supernove su cui possono ruotare il loro asse migliaia di volte al secondo lanciando particelle nello spazio con energie fantastiche che gli acceleratori sulla Terra non possono eguagliare. Tra queste particelle ci sono coppie di elettroni e positroni che Alpha Magnetic può distinguere ma abbiamo bisogno di più dati rispetto alle energie più elevate per decidere quale sia la spiegazione più corretta. Il team di scienziati è convinto che in breve tempo, forse mesi o pochi anni di ricerche sostenute da scienziati di 16 paesi internazionali e con il supporto del dipartimento di energia degli Stati Uniti, Alpha Magnetic continuerà a funzionare ininterrottamente per dare alla ricerca l'emozione di scoprire finalmente cosa si cela dietro la materia oscura una volta per tutte.
Alla ricerca dell'energia oscura
Scoprire come l'energia oscura ha influenzato l'espansione dell'universo in passato farà luce su come influenzerà l'espansione in futuro. Se continua ad accelerare l'espansione dell'universo, potremmo essere destinati a sperimentare un "Big Rip". In questo scenario, l'energia oscura alla fine diventerebbe dominante sulle forze fondamentali, causando la rottura di tutto ciò che è attualmente legato insieme - galassie, pianeti, persone. Esplorare l'energia oscura ci permetterà di investigare, e forse anche prevedere, il destino dell'universo.
Crediti: NASA's Goddard Space Flight Center Scott
La composizione di una cometa
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