Buchi neri ed energia oscura 

di Lisa Randall

Il nome «materia oscura» dà luogo a motivi di confusione, al di là di quanto possa suonare minaccioso alle orecchie di chi lo sente per la prima volta. Per esempio, molte persone con cui discuto della mia ricerca fanno fatica a distinguere la materia oscura dai buchi neri. Per chiarire la differenza fra i due concetti farò un breve excursus sui buchi neri, ossia corpi celesti che si formano quando troppa materia viene confinata in una regione spaziale troppo piccola. Nulla, nemmeno la luce, riesce a sfuggire alla loro potente attrazione gravitazionale.

I buchi neri e la materia oscura sono differenti come lo sono l’inchiostro nero e la cronaca nera. La materia oscura non interagisce con la luce. I buchi neri assorbono la luce, assieme a tutto ci. che si trova troppo vicino a essi. I buchi neri sono neri perch. tutta la luce che vi entra rimane intrappolata; non viene irradiata né riflessa. La materia oscura potrebbe essere stata determinante per la formazione dei buchi neri dal momento che ogni forma di materia può collassare fino a formare un buco nero, ma di certo non rappresentano la stessa entit.. Non vanno assolutamente confusi.

Un’ulteriore incomprensione scaturisce dall’infelice denominazione della materia oscura. Poiché un altro componente dell’Universo prende il nome di «energia oscura» (anche qui si tratta di una scelta che comporta dei problemi), la gente tende spesso a confondere anche questo ente con la materia oscura. Benché costituisca una digressione dal nostro argomento principale, l’energia oscura . una parte essenziale dell’odierna cosmologia, pertanto ora chiarirò quest’altro termine per assicurarmi che voi, miei illuminati lettori, abbiate sempre ben presente la differenza.

L’energia oscura non è materia: è solo energia. L’energia oscura esiste anche se non vi è in giro alcuna reale particella o altra forma di sostanza. Permea l’Universo, ma non si aggrega come la materia ordinaria. La densità dell’energia oscura è la stessa ovunque: non può essere più densa in una regione che in un’altra. Anche in questo è molto differente dalla materia oscura, che si raggruppa in oggetti e risulta più densa in alcune zone che in altre. La materia oscura si comporta come quella che conosciamo, che va a comporre le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie. Viceversa, la distribuzione di energia oscura è sempre omogenea. L’energia oscura rimane anche costante nel tempo. Diversamente dalla materia o dalla radiazione, non si diluisce con l’espandersi dell’Universo. Sotto certi aspetti, questa è la proprietà che la definisce. La densità dell’energia oscura (energia non trasportata da particelle o da materia) rimane la stessa al trascorrere del tempo; per questa ragione i fisici spesso indicano questo tipo di energia una costante cosmologica.

All’inizio dell’evoluzione dell’Universo, la maggior parte dell’energia era trasportata dalla radiazione. Quest’ultima per. si diluisce pi. rapidamente della materia, per cui alla fine la materia ha superato la radiazione venendo a rappresentare il contributo energetico principale. Molto più tardi nel processo evolutivo, l’energia oscura, che non si è mai diluita come invece hanno fatto la radiazione e la materia, ha preso il sopravvento e oggi costituisce circa il 70% della densità energetica dell’Universo. Prima che Einstein proponesse la sua teoria della relatività, si era soliti pensare solo in termini di energia relativa: la differenza, cioè, di energia fra una configurazione e un’altra. Grazie alla teoria di Einstein, però, abbiamo imparato che la quantità assoluta di energia è significativa di per sé e produce una forza gravitazionale che pu. contrarre o espandere l’Universo.

Il grande mistero sull’energia oscura non è riconducibile al perché essa esista (la meccanica quantistica e la teoria della gravit. suggeriscono che dovrebbe essere presente e la teoria di Einstein ci dice che ha delle conseguenze fisiche), bensì al perché la sua densità sia così bassa. Considerando la sua predominanza, potrebbe non sembrare un problema; tuttavia, anche se l’energia oscura costituisce attualmente la maggior parte dell’energia dell’Universo, è solo di recente (dopo che la materia e la radiazione si sono diluite enormemente in seguito all’espansione dell’Universo) che gli effetti dell’energia oscura hanno iniziato a essere paragonabili a quelli degli altri tipi di energia. In precedenza, la sua densit. era minima rispetto ai contributi molto più consistenti da parte della radiazione e della materia. Senza conoscere in anticipo la risposta, i fisici avrebbero stimato per la densità di energia oscura un valore sbalorditivo, 120 ordini di grandezza superiore a quello effettivo.

La questione della piccola dimensione della costante cosmologica ha messo in imbarazzo per anni i fisici. Molti astronomi affermano che l’epoca in cui viviamo rappresenta il Rinascimento della cosmologia, e le teorie e le osservazioni sono progredite fino al punto in cui test calibrati con precisione aiuteranno a capire qual è lo schema generale dell’Universo. Tuttavia, data la predominanza della materia e dell’energia oscure, e anche il mistero sul perché così tanta materia ordinaria è sopravvissuta fin qui, i fisici, con un gioco di parole, sostengono che viviamo in anni bui. Questi misteri, però, sono esattamente ciò che rendono quello attuale un momento eccitante per chiunque studi il cosmo.

 

*Questo è un estratto da L’universo invisibile di Lisa Randall.


Lisa Randall è stata la prima donna a ottenere una cattedra al dipartimento di Fisica all’Università di Princeton, e a quello di Fisica teorica all’Mit e a Harvard. Figura di spicco nel campo della fisica teoretica e grande esperta di fisica delle particelle, è autrice di uno dei modelli più accreditati di universo pluridimensionale.