Un'energia oscura sta accelerando l'universo: la scoperta Premio Nobel 2011

Nel 1998 fu definita “la scoperta dell’anno”. Oggi, 4 ottobre 2011, gli americani Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam G. Riess sono stati onorati del Premio Nobel per la Fisica. Con le pioneristiche ricerche cosmologiche compiute dai loro gruppi di ricerca, il “Supernova Cosmology Project” di Perlmutter e Schmidt, e l’High-z Supernova Search Team di Riess, i tre Nobel hanno portato alla luce, poco più di dieci anni fa, quello che è oggi il più grande mistero dell’universo: la sua inaspettata accelerazione.

Hubble, Einstein e l'universo in espansione

Per capire cosa significa questa scoperta, bisogna innanzitutto tornare a Edwin Hubble, l’astronomo americano che nel 1929 scoprì che l’universo si stava espandendo. Una rivelazione sorprendente perché fino ad allora l’opinione generalmente accettata era che l’universo fosse infinito e statico, immobile, uguale fin dalla sua nascita. Albert Einstein, elaborando la sua teoria della relatività, scoprì con suo disappunto che risolvendo le equazioni della teoria si deduceva, invece, un universo instabile. Ritenendo questa conclusione impossibile, aggiunse nelle equazioni un elemento matematico, una costante cosmologica, definita lambda, con la quale bilanciare la forza gravitazionale che rischiava di far contrarre l’universo. La costante cosmologica lambda riportava l’universo alla sua presunta staticità. Un escamotage intellettuale di cui Einstein ebbe modo di pentirsi: lo definì "il più grande errore della mia vita”. Infatti, Einstein poté constatare che la scoperta di Hubble confermava la sua teoria della relatività senza bisogno di introdurre la costante lambda.

Come era riuscito, Edwin Hubble, a scoprire che l’universo si espandeva? Nei primi anni ’20 il nuovo telescopio di monte Wilson, il più grande allora esistente, permise per la prima volta di constatare che la cosiddetta nebulosa di Andromeda non faceva parte della nostra galassia, ma era una galassia a se stante. Ciò era stato possibile analizzando la luce proveniente da Andromeda, e quindi il suo spettro, cioè quel che deriva dalla scomposizione della luce all’interno di un prisma (il nostro arcobaleno). Andromeda era lontana da noi abbastanza da poter escludere con certezza che facesse parte della nostra galassia, benché in realtà si stia avvicinando alla Via Lattea a una velocità tale che si scontrerà con essa tra 3-4 miliardi di anni. Ma Hubble scoprì con stupore che, con l’eccezione di Andromeda, lo spettro di tutte le galassie osservate era spostato verso il rosso. Per capire cosa implicava questa scoperta, basta pensare a un’ambulanza che corre nella nostra direzione, per poi superarci velocemente e proseguire lungo la sua strada. Noteremo che la sirena assume un suono più acuto quando si avvicina, più grave quando si allontana: in realtà, la sirena emette sempre lo stesso suono, ma ci arriva all’orecchio a una frequenza diversa. L’onda sonora, infatti, si “schiaccia” avvicinandosi al nostro orecchio e assume una frequenza maggiore, per poi distendersi nuovamente man mano che l’ambulanza si allontana. Si chiama effetto Doppler. La luce fa lo stesso. Se un oggetto luminoso si allontana da noi, analizzandone lo spettro osserveremo uno spostamento verso il rosso, che insieme al violetto costituisce il limite estremo dello spettro della luce. Questo “spostamento verso il rosso” della luce è un effetto della nostra osservazione: la luce è sempre quella, ma poiché la sorgente che la emette si sta allontanando, l’onda si dilata e la sua frequenza si riduce. Se tutte le galassie hanno uno spettro spostato verso il rosso, significa che si stanno allontanando da noi. Hubble restò perplesso: possibile che la nostra Via Lattea si trovi immobile al centro dell’universo, e tutte le altre galassie in allontanamento? Cosa ci rende così speciali? Niente.

In realtà tutto l’universo si sta espandendo. Anche la nostra galassia, dunque, si sta allontanando dalle altre (fatta eccezione per le due più vicine), secondo una velocità definita dalla “legge di Hubble”:  tanto più le galassie sono distanti dalla Terra, tanto più velocemente si allontanano. Questa scoperta portò i cosmologi a ipotizzare che dunque, se l’universo si espande, un tempo le galassie dovevano essere più vicine. E dovette esistere un momento in cui tutto l’universo non occupava uno spazio maggiore di quello di una noce. Da qui, nacque la teoria del Big Bang. Ma questa è un’altra storia.

L'universo sta accelerando

C’è un problema. Ipotizziamo di lanciare una palla in aria: quanto più forte la lanceremo, tanto più tempo resterà in aria prima di ricadere. Ma prima o poi cadrà, a causa della forza gravitazionale. Ora, la forza impressa dal Big Bang è stata sicuramente enorme, sufficiente a far sì che l’universo continui a espandersi da circa 13,5 miliardi di anni. Tuttavia, anche in questo caso, a un certo punto, la gravità si farà sentire e avrà la meglio sull’accelerazione: così come il pallone ricade prima o poi a terra, così l’universo – la cui massa è infinitamente superiore a quella della palla – ricadrà su se stesso. L’accelerazione dovrebbe quindi arrestarsi e iniziare un ripiegamento, che potrebbe in un lontanissimo futuro produrre un Big Crunch, un enorme scontro di tutta la materia rimasta, compressa in uno spazio non più grande di una noce. Un Big Bang al contrario. E qui, invece, arriva la scoperta del gruppo di Perlmutter, Schmidt e Riess.

Nel gennaio 1998, in un convegno a Washington, i due gruppi di ricerca presentarono quelle che – tennero bene a precisare – erano solo “conclusioni preliminari”. Si trattava infatti di conclusioni sorprendenti. Il Supernova Cosmology Project e l’High-z Supernova Search Team avevano analizzato lo spettro rispettivamente di 40 e 14 supernove di tipo Ia. Si tratta di un tipo molto particolare di supernove, prodotte dall’esplosione di un sistema stellare binario. Il modello astrofisico che spiega il “funzionamento” di queste supernove riesce anche a prevedere, osservando la loro luminosità, da quanto tempo è avvenuto il fenomeno osservato, e quindi la distanza dalla Terra. Per questo motivo, le supernove Ia sono state definite candele standard: la loro luce, che proviene da miliardi di anni luce di distanza, ci permette di calcolare con esattezza le distanze cosmologiche.

Ovviamente, ci aspettiamo che le supernove più vicine presentino, viste dalla Terra, una luce più intensa di quelle più lontane. Ebbene, si scoprì che non era così: alcune supernove relativamente vicine apparivano più fioche di alcune che invece, poste anche a oltre 10 miliardi di anni luce, risultavano più luminose. Quindi, le supernove a noi più vicine dovevano essere in realtà più lontane del previsto, e quelle apparentemente più lontane sembravano più vicine. Confermate le osservazioni, escluse altre ipotesi (come quella di una “polvere cosmica” che ridurrebbe l’intensità luminosa, errori di calcolo, o confusione sul tipo di supernove osservate), Perlmutter, Schmidt e Riess dedussero che, quando la luce delle supernove più lontane che oggi vediamo fu emessa, diversi miliardi di anni fa, l’universo si espandeva più lentamente. Viceversa, l’universo oggi sta accelerando. Una simile rivelazione va contro il senso comune: è come se lanciaste un pallone in aria e questo, invece di rallentare la sua ascesa per poi cadere, prendesse ad accelerare sempre di più fino a entrare in orbita. Insomma, ci si aspettava che dopo 13,5 miliardi di anni l’accelerazione stesse rallentando, vinta dalla gravità. E invece, sta accelerando. Non solo: nel 2006 Adam Riess, uno dei tre premi Nobel, affermò che l’universo ha iniziato ad accelerare ‘solo' da circa 5 miliardi di anni fa. Se Einstein fosse ancora in vita, avrebbe potuto prendersi la sua rivincita. I cosmologi di tutto il mondo, infatti, hanno ripescato dagli scatoloni della fisica la sua costante cosmologica lambda restituendogli il ruolo che gli spetta. Ciò in quanto, affinché si possa spiegare un’accelerazione dell’espansione dell’universo, abbiamo bisogno di una forza che contrasti quella di gravità. Questa forza, secondo i cosmologi, esiste. Ma è così misteriosa che l’hanno chiamata, non a caso, energia oscura.

L'energia oscura e il destino dell'universo

Dell’energia oscura sappiamo solo due cose. La prima è che si tratta di una forza repulsiva: mentre la forza gravitazionale attrae i corpi l’uno verso l’altro, l’energia oscura li allontana. La seconda è che l’energia oscura dovrebbe permeare l’intero universo: il 74% di tutto ciò che esiste sarebbe costituito da energia oscura. Sapere che gran parte del cosmo è composto da qualcosa che non conosciamo non è un’idea consolante. Ma per i fisici, è un mistero affascinante. Secondo le teorie più accreditate, quest’energia oscura sarebbe prodotta, paradossalmente, dal vuoto. Non è un controsenso. Il vuoto estremo, nell’universo, non è del tutto vuoto: al suo interno, continuamente, una particella e un’antiparticella ‘virtuali’ si annichilano a vicenda, producendo energia. Il vuoto cosmico è quindi un continuo ribollire di energia, forse sufficiente a contrastare la forza gravitazionale. Se così fosse, resterebbe da capire quant’è grande questa forza, e su tale quesito si stanno concentrando le forze della fisica contemporanea.

Non si tratta di una domanda oziosa: da ciò dipenderà infatti il destino dell’universo. Se la forza gravitazionale riuscirà ad avere la meglio sull’energia oscura, l’espansione del cosmo giungerà a una fine e l’universo inizierà a contrarsi fino al Big Crunch. È probabile che, da esso, scaturisca poi un nuovo Big Bang, favorendo l’ipotesi di un universo ciclico, di cui il nostro non sarebbe, magari, che l’ennesima riproposizione. Se l’energia oscura avrà la meglio sulla gravità, ci attenderà un Big Rip, un grande strappo del tessuto cosmico: l’accelerazione aumenterà sempre più, fino a spezzare anche le molecole, riducendole a particelle elementari, che domineranno l’universo fino alla sua “morte termica”. Ma le due forze potrebbero equivalersi. I fisici sospettano che le cose stiano proprio così. In questo caso, un giorno l’accelerazione rallenterà, fino a far fermare l’espansione cosmica: l’universo resterà in equilibrio, sull’orlo delle due ipotesi estreme, con le due forze esattamente bilanciate. Sarà un universo “piatto”, ma sempre più buio, sempre più vuoto, finché tutta la materia sarà infine inghiottita dai buchi neri. Noi, probabilmente, non ci saremo; ma nei prossimi decenni potremo saperne abbastanza da determinare con sufficiente sicurezza il destino ultimo dell’universo. Una scoperta che varrà certamente un altro meritatissimo premio Nobel.