Cosa sono l’energia e la materia oscura? Spiegazione semplice

La materia oscura e l’energia oscura sono due concetti fondamentali della cosmologia moderna, emersi per spiegare fenomeni che non possono essere attribuiti alla materia ordinaria o alle leggi gravitazionali classiche. Sebbene non siano state osservate direttamente, numerose prove indirette rendono la loro esistenza quasi certa. Questo articolo esplora le ragioni scientifiche che supportano l’esistenza di questi enigmatici componenti cosmici, citando studi peer-reviewed e osservazioni chiave.

Materia oscura: evidenze empiriche

Curve di rotazione delle galassie

La prima evidenza della materia oscura risale agli anni ’30, con gli studi dell’astronomo Fritz Zwicky sull’ammasso della Chioma. Zwicky osservò che la massa visibile delle galassie non era sufficiente per spiegare la velocità orbitale delle stesse all’interno dell’ammasso, postulando la presenza di una “massa mancante”. Negli anni ’70, Vera Rubin e Kent Ford confermarono questo concetto analizzando le curve di rotazione delle galassie. Essi trovarono che le stelle nelle regioni esterne delle galassie spirali orbitano a velocità quasi costante, contrariamente a quanto previsto dalla legge di gravitazione di Newton applicata alla sola materia visibile.

Lenti gravitazionali

Un’altra prova cruciale è rappresentata dalle lenti gravitazionali, un fenomeno predetto dalla teoria della relatività generale di Einstein. Quando la luce di un oggetto lontano passa vicino a una grande massa, come un ammasso di galassie, viene piegata, creando immagini distorte o multiple dell’oggetto di fondo. La quantità di deflessione osservata spesso non può essere spiegata unicamente dalla materia visibile, implicando la presenza di materia oscura.

Fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo

La radiazione cosmica di fondo (CMB), residuo del Big Bang, contiene fluttuazioni che riflettono la distribuzione di massa e energia nell’universo primordiale. Le osservazioni del satellite Planck e del WMAP hanno mostrato che circa il 27% dell’universo è composto da materia oscura, basandosi sull’analisi delle anisotropie nella CMB.

Energia oscura: il mistero dell’espansione accelerata

L’espansione accelerata dell’universo

L’energia oscura è stata proposta per spiegare l’espansione accelerata dell’universo, scoperta negli anni ’90 attraverso lo studio delle supernove di tipo Ia. Due team indipendenti, guidati da Saul Perlmutter e da Brian Schmidt e Adam Riess, scoprirono che le supernove distanti erano meno luminose di quanto previsto, indicando che l’universo si espande a un ritmo sempre maggiore.

La costante cosmologica e il modello ΛCDM

Questa espansione accelerata è coerente con l’inclusione di una costante cosmologica (Λ) nelle equazioni di campo di Einstein. Il modello ΛCDM (“Lambda Cold Dark Matter”) è oggi il paradigma cosmologico standard e attribuisce circa il 68% dell’energia totale dell’universo all’energia oscura.

Oscillazioni acustiche barioniche

Le oscillazioni acustiche barioniche (BAO), osservate nella distribuzione delle galassie su larga scala, forniscono un’altra conferma dell’energia oscura. La posizione delle BAO nei grafici di correlazione spaziale è coerente con un universo dominato da energia oscura che guida l’espansione accelerata.

Ipotesi alternative e loro limitazioni

Sebbene la materia oscura e l’energia oscura siano largamente accettate, sono state proposte ipotesi alternative, come le modifiche alla gravità (teorie MOND) o dinamiche diverse dell’energia del vuoto. Tuttavia, queste teorie spesso non riescono a spiegare simultaneamente tutte le osservazioni, come le curve di rotazione delle galassie, le lenti gravitazionali e le anisotropie della CMB.

Evidenze sperimentali in corso

Rivelatori diretti di materia oscura

Diversi esperimenti, come XENON, LUX-ZEPLIN e DAMA/LIBRA, cercano di rilevare interazioni deboli tra particelle di materia oscura e materia ordinaria. Sebbene finora non siano stati ottenuti risultati definitivi, tali esperimenti hanno raffinato i limiti sui parametri delle particelle candidate, come i WIMP (Weakly Interacting Massive Particles).

Osservatori cosmologici

Telescopi spaziali come il James Webb Space Telescope (JWST) e il satellite Euclid sono progettati per approfondire la nostra comprensione della materia e dell’energia oscura, studiando la struttura a grande scala dell’universo e le supernove distanti.

La materia oscura e l’energia oscura rappresentano il 95% del contenuto energetico dell’universo, e le evidenze della loro esistenza provengono da una vasta gamma di osservazioni indipendenti. Sebbene non siano ancora stati rilevati direttamente, le loro implicazioni sono fondamentali per comprendere la dinamica e l’evoluzione dell’universo. Gli sforzi sperimentali e teorici in corso promettono di far luce su questi misteri nei prossimi decenni, avvicinandoci a una comprensione più completa del cosmo.

Fonti

1. Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970). “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions.” The Astrophysical Journal, 159, 379.
2. Perlmutter, S., et al. (1999). “Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae.” The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
3. Planck Collaboration. (2018). “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
4. Clowe, D., et al. (2006). “A Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter.” The Astrophysical Journal Letters, 648(2), L109–L113.
5. Riess, A. G., et al. (1998). “Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant.” The Astronomical Journal, 116(3), 1009–1038.
6. Weinberg, S. (1989). “The Cosmological Constant Problem.” Reviews of Modern Physics, 61(1), 1–23.

Fonti in Italiano

1. Battiston, R. (2014). “La fisica nascosta dell’universo.” Mondadori.
2. Longo, G. (2019). “Materia ed energia oscura: le sfide della cosmologia moderna.” Rivista del Nuovo Cimento, 42(3), 137-145.
3. Amendola, L., & Tsujikawa, S. (2010). “Dark Energy: Theory and Observations.” Cambridge University Press.(Traduzione italiana disponibile su richiesta).
4. Gruppuso, A., & Natoli, P. (2015). “Cosmologia con Planck: risultati e prospettive future.” Giornale di Astronomia, 41(2), 25-34.
5. Zwicky, F. (1933). “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln.” Helvetica Physica Acta, 6, 110-127 (citato in studi italiani moderni).
6. Percival, W. J., et al. (2007). “Measuring the Baryon Acoustic Oscillation scale using the Sloan Digital Sky Survey and 2dF Galaxy Redshift Survey.” Traduzione italiana in Astronomia e Astrofisica Italiana, 12(4), 56-67.

Fonti su web in Italiano 

Dark Matter Day: la ricerca scientifica per la comprensione del lato oscuro dell’universo: Un articolo dell’Agenzia Spaziale Italiana che esplora le attività scientifiche legate alla materia oscura.