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Energia oscura



Il termine Quintessenza era usato più di 2000 anni fa dai greci per indicare un ipotetico quinto elemento della natura, oltre la terra, l'aria, il fuoco e l'acqua. Oggi questo nome è stato adottato come sinonimo di energia oscura. Ma cos'è l'energia oscura?
Nel 1998 due gruppi di astronomi pubblicarono i risultati delle loro esperienze sullo studio di possibili anomalie nell'espansione dell'Universo.
Avevano studiato galassie molto lontane tramite lo studio di Supernovae particolari, le Supernovae di tipo 1a (SN1a), che sono molto luminose e hanno tutte per un certo periodo di tempo una luminosità uguale. Per questo possono essere considerate come sorgenti standard, delle "candele campione". Dalla luminosità osservata si può quindi risalire alla loro distanza, perché la luminosità osservata diminuisce con il quadrato della distanza dalla Terra.
Lo studio è difficile, sia perché tali Supernovae sono molto rare, sia perché le misure sono molto delicate e hanno richiesto l'utilizzo di una varietà di telescopi molto potenti.
D'altra parte la velocità di allontanamento da noi di tali galassie lontane è misurabile tramite lo spostamento verso il rosso della luce che noi riceviamo.

Fig. 1: Immagini relative alla rivelazione di una delle più lontane supernovae mai viste, la supernova 1997ff, effettuata tramite il telescopio spaziale Hubble. La foto superiore mostra la miriade di galassie registrate da Hubble nella regione di spazio distante circa 10 miliardi di anni luce dalla terra. Il quadrato bianco indica l'area in cui risiede la supernova 1997ff. La foto in basso a sinistra è una vista ravvicinata di questa regione. La freccia indica la galassia ospite della supernova. Il colore rosso è dovuto a miliardi di vecchie stelle che qui risiedono. La foto in basso a destra mostra la supernova stessa (punto bianco nel centro). Quest'ultima immagine è stata ottenuta tramite tecniche software confrontando foto scattate in tempi diversi. (Credit: NASA, Adam Riess (Space Telescope Science Institute, Baltimore, MD)).

Il risultato di queste analisi è stato quasi incredibile. Le supernovae sono meno luminose rispetto a quello che ci si aspetta da un'espansione dell'Universo rallentata per effetto della gravità. Le supernovae sono più lontane del previsto: tutto avviene come se l'espansione dell'Universo stesse accelerando!
Nei prossimi anni verranno fatte nuove misure più sistematiche utilizzando telescopi ancora più potenti. Vedremo allora se i risultati attuali verranno confermati.


Fig.2: Il disegno mostra l'espansione dell'Universo a partire dal Big Bang. Fino a circa 8 miliardi di anni fa, la gravità era la forza dominante in un Universo ancora sufficientemente piccolo, e l'espansione rallentava. Nel periodo successivo, le dimensioni dell'Universo aumentarono fino a che una misteriosa forza "oscura" repulsiva divenne dominante sulla più debole forza di gravità, producendo così un'espansione accelerata dell'Universo. I cerchi concentrici rossi stanno ad indicare che nella prima metà di vita del cosmo la velocità relativa di allontanamento delle galassie era minore rispetto a quella nella seconda metà di vita (cerchi verdi). (Credit: Ann Feild (STScI)) .

Quale può essere la forza repulsiva che sta accelerando l'Universo e contribuisce con la sua densità di energia alla densità totale dell'Universo? È da ricordare che nella teoria della Relatività Ristretta materia e energia sono equivalenti: massa ed energia sono legate infatti dalla relazione E=mc2.
Alcuni fisici ritengono che questo effetto repulsivo sia riconducibile all'energia del vuoto. Nella fisica moderna infatti, lo spazio vuoto non corrisponde al nulla filosofico; in esso, grazie al principio d'indeterminazione di Heisenberg, appaiono e scompaiono coppie di particelle-antiparticelle che sono virtuali, ma possono avere effetti tangibili. È proprio grazie a loro che il vuoto può avere una densità di energia invisibile, oscura, diversa da zero e può esercitare un effetto gravitazionale repulsivo. In altre parole il vuoto non è qualcosa di inerte, i suoi effetti sembrano dominare il comportamento dell'Universo e la nostra comprensione è limitata dalla nostra ignoranza sull'argomento.

Nel 1916 Einstein aveva introdotto nelle equazioni della Relatività Generale una costante (la costante cosmologica) per non avere un Universo in espansione, ma cercare di avere un Universo statico. Soluzioni più generali (senza costante cosmologica) furono invece ottenute dal russo Alexander Friedmann nel 1922, e indipendentemente, dal belga Georges Lemaître, nel 1927. Oggi un valore positivo della costante cosmologica può servire a rendere conto dell'espansione accelerata dell'Universo.
E' stato stimato che l'energia oscura domini con un 65% il contenuto energetico dell'Universo; il restante 35% è massa. Queste valutazioni sembrano essere confermate dalle misure della radiazione cosmica di fondo a microonde.

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Tratto dal sito www.scienzagiovane.unibo.it