CAPITOLO 6 MISTERI INSOLUTI

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3 S tiamo per concludere il viaggio che abbiamo condotto attraverso lo spazio, tra pianeti, satelliti, asteroidi, galassie e stelle, e attraverso il tempo, all indietro fino all origine dell Universo, o almeno fino al punto in cui le nostre osservazioni, più o meno dirette, e le nostre conoscenze ci permettono di arrivare. Molti sono i problemi ancora aperti e per i quali i cosmologi stanno cercando una soluzione: la distribuzione spaziale degli ammassi di galassie, l esistenza della materia oscura, perché il nostro è un Universo di materia e non di antimateria e poi come si sono formate galassie e ammassi di galassie da un Universo primordiale, apparentemente uniforme; infine la sorprendente scoperta dell energia oscura. Ad alcuni di questi problemi abbiamo già avuto modo di accennare in altri capitoli, in queste ultime pagine cercheremo di approfondirli e svilupparli per quanto possibile sulla base delle conoscenze fin ora raggiunte. LA DISTRIBUZIONE DEGLI AMMASSI DI GALASSIE La distribuzione degli ammassi di galassie sulla volta celeste, cioè su una superficie, sembra del tutto casuale e uniforme, mentre conoscendo le distanze, si può ricostruire la loro distribuzione reale nello spazio a tre dimensioni. Ebbene, un risultato ottenuto in questi ultimi anni mostra che, almeno fino a una distanza di circa 1 miliardo di anni luce da noi (distanza a cui si estendono per ora le nostre più dettagliate osservazioni), gli ammassi di galassie e le galassie sono distribuiti nello spazio in modo tale da addensarsi sulle superfici di grandi volumi grosso modo sferici, a formare come delle enormi bolle praticamente vuote il cui diametro è dell ordine del centinaio di milioni di anni luce e il cui spessore è di circa milioni di anni luce. Dentro le bolle sembra non esserci nemmeno qualche debole galassia. La spiegazione di questa struttura a bolle è tuttora un mistero, ben più inspiegabile se si pensa che, a scala ancora più grande, l Universo sembra uniforme e le galassie e gli ammassi di galassie appaiono distribuiti uniformemente nello spazio Misteri insoluti 1 0_capitolo.indd 1 1/0/ 1:

4 La distribuzione delle galassie nel cielo. Già nel 1 Shane e Wirtanen avevano compilato questa mappa, che raccoglie la posizione di galassie sulla volta celeste (visibile dall osservatorio Lick, il settore scuro è dovuto all orizzonte). L aspetto a «ragnatela» è evidente, stranamente però in quell epoca tale scoperta non suscitò grandissimo interesse nel pubblico. (LICK OBSERVATORY) CAPITOLO 0_capitolo.indd 1/0/ 1:

5 Un milione e mezzo di galassie in questa immagine. Si tratta di una mappa tridimensionale, dove il colore dal violetto al rosso indica la distanza fino a oltre 1 miliardo di anni luce, evidenziando la struttura a larga scala dell Universo (al centro domina la Via Lattea). Le galassie si raccolgono in gruppi più o meno numerosi, da alcune decine fino a migliaia di galassie, chiamati ammassi. A loro volta gli ammassi sono organizzati in superammassi, cioè gruppi di ammassi di galassie. Ammassi e superammassi non sono però distribuiti uniformemente nello spazio, ma si addensano sulla superficie di enormi bolle e sono separati da spazi vuoti immensi. La grande macchia violacea in alto al centro è l ammasso della Vergine. (MASS, XSCZ) LA MATERIA E L ENERGIA OSCURA Una delle recenti scoperte che ha messo in crisi gli scienziati è quella dell esistenza della materia oscura: è stato calcolato, infatti, che la maggior parte della materia si trova sotto una forma che non emette radiazioni elettromagnetiche e quindi risulta invisibile ai nostri strumenti. Ancora più misteriosa la presenza di un energia che si oppone alla forza di gravità e accelera l espansione dell Universo, scoperta recentemente e per cui nel è stato assegnato il premio Nobel per la fisica agli statunitensi Saul Perlmutter e Adam Riess e all australiano Brian Schmidt. Prima di questa scoperta si pensava che l espansione dell Universo andasse decelerando per effetto della sua stessa gravità. Per determinare l entità di questo rallentamento, due gruppi di ricercatori, uno americano e uno australiano, avevano cominciato alla fine degli anni Ottanta a osservare una classe di supernove, note come SNIa, di cui si conosce con buona precisione lo splendore assoluto, per ottenere una più accurata relazione di Hubble fra spostamento verso il rosso e distanza estesa alle più lontane galassie raggiungibili con i moderni grandi telescopi, le quali ci avrebbero detto come avveniva l espansione nel lontano passato. La sorpresa è stata che invece di rallentare, l espansione risulta aver cominciato ad accelerare circa miliardi di anni fa come se ci fosse una energia che si oppone all energia gravitazionale. Dato che non si sa cosa sia, è stata chiamata «energia oscura». Non sappiamo se si tratta di una proprietà intrinseca dello spazio o se qualcosa di indipendente in esso contenuta. Nel primo caso la densità di energia rimarrebbe costante nel tempo, mentre nel secondo caso diminuirebbe la densità mentre la forza dell energia resterebbe costante con l aumentare dello spazio. Per ora sappiamo solo che questa «energia oscura» ha preso il sopravvento sulla gravità circa miliardi di anni fa a causa della diminuzione della gravità con l espansione. Oltre all energia oscura, abbiamo già visto nel capitolo terzo che in base ai dati ottenuti dalla misurazione della massa delle galassie, si può ipotizzare l esistenza di materia oscura. Per misurare la massa di una galassia, fino a poco tempo fa si contava il numero delle stelle e si moltiplicava questo numero per la massa di una stella media. In questo modo, ad esempio, la massa della nostra Galassia era pari a circa 0 miliardi di masse solari (prendendo il Sole come unità di misura). Un altro metodo di misura si basa sulle leggi della gravitazione: si studia il moto degli oggetti più periferici che gravitano attorno alla Galassia (ad esempio nubi gassose che emettono microonde). Da questo moto è possibile calcolare la massa della Galassia e si constata che è Misteri insoluti 0_capitolo.indd 1/0/ 1:

6 superiore di almeno cinque volte a quella visibile. Quindi la massa visibile, ricavata dagli oggetti che si vedono, è molto inferiore alla massa gravitazionale indicata dal moto dei corpi nella Galassia. Questo fatto vale per tutte le galassie di cui si possono contare le stelle e misurare i moti. Lo stesso risultato si ottiene per gli ammassi di galassie: dai moti delle galassie che compongono un ammasso, si vede che la massa visibile è circa un decimo della massa gravitazionale dell ammasso. Non sappiamo cosa sia la materia oscura, ma sono state fatte diverse ipotesi. Alcuni sostengono che si possa trattare di stelle molto numerose e molto deboli, o di un gran numero di pianeti molto grossi eppure poco o del tutto invisibili a grandi distanze. Ma se si ammette che la materia oscura sia formata da materia normale cioè di protoni, neutroni, elettroni nei primi tre minuti dopo il Big Bang non avrebbe potuto formarsi il deuterio, perché le condizioni fisiche sarebbero state tali da impedirlo. Il deuterio non ci dovrebbe essere o sarebbe talmente scarso da non essere misurabile, e questo contraddice i dati osservabili. Invece di essere materia normale, la materia oscura potrebbe essere costituita, quindi, da particelle che interagiscono pochissimo con la materia e che quindi risultano difficili da rilevare. Abbiamo già appreso che in natura si conosce solo un tipo di queste particelle, i neutrini. La massa dei neutrini è piccolissima tanto Universo oscuro. Sebbene sia ormai accertato che la materia visibile è soltanto una minima parte del contenuto dell Universo, ancora non v è certezza sulla vera natura della materia oscura e tantomeno si ha un idea di cosa sia davvero l energia oscura. CAPITOLO 0_capitolo.indd 1/0/ 1:

7 che non si è ancora riusciti a misurarla con precisione e per spiegare la massa mancante dovrebbero essere estremamente numerosi. In ogni caso i neutrini non potrebbero spiegare la massa mancante delle galassie, perché data la loro minuscola massa avrebbero velocità di gran lunga superiore alla velocità di fuga della galassia stessa e quindi sfuggirebbero nello spazio intergalattico. Non si può però escludere che in natura esistano altri tipi di particelle o, perlomeno, siano esistiti nei primi istanti di vita dell Universo. MATERIA E ANTIMATERIA Il problema dell asimmetria tra materia e antimateria nasce dalla constatazione che il nostro Universo è composto essenzialmente di materia. Particelle di antimateria, come il positrone e l antiprotone, si osservano nei raggi cosmici, ma nessuna antiparticella più pesante è stata trovata in natura. Eppure nell Universo primordiale esistevano probabilmente sia particelle che antiparticelle, in numero praticamente uguale. Perché allora questa asimmetria attuale? Si pensa che, come abbiamo accennato nel capitolo sulla cosmologia, per qualche motivo si fosse formato un piccolissimo eccesso di materia rispetto all antimateria. Tutte le coppie di particelle e antiparticelle si sarebbero annichilite una con l altra, dando luogo a un enorme produzione di energia (sotto forma di fotoni), e sarebbe rimasto solo quel piccolo eccesso di materia da cui avrebbe avuto origine il nostro Universo attuale. Una conferma di questa ipotesi è data dall osservato eccesso di fotoni rispetto alle particelle materiali: c è, infatti, un miliardo di fotoni per ogni particella. Inoltre, si conosce una particella instabile, il kaone, del quale abbiamo già parlato, la cui vita media è un centomilionesimo di secondo un po più lunga di quella dell antikaone. LA DISUNIFORMITÀ DELL UNIVERSO Che le galassie e le stelle ci siano è un fatto inconfutabile, ma perché e come si siano formate inizialmente è un problema aperto. La radiazione cosmica che pervade tutto l Universo attuale appare estremamente costante in tutte le direzioni. In qualunque direzione la si misuri si ottiene un valore di, K con un errore di misura di circa un decimillesimo di grado. Dato che tale radiazione testimonia com era l Universo primordiale, se ne deduce che anche l Universo oggi dovrebbe essere altrettanto uniforme. Sappia Misteri insoluti 1 0_capitolo.indd 1 1/0/ 1:

8 mo, invece, che l Universo attuale è composto di stelle, galassie e ammassi di galassie separati da immensi spazi praticamente vuoti. Nella radiazione fossile dovrebbe esserci il seme di queste disuniformità. Per risolvere questo problema è necessario misurare la radiazione fossile con precisione ancora maggiore, alla ricerca di eventuali minime disuniformità. Proprio per questo scopo è stato stato dapprima costruito il satellite COBE (Cosmic Background Experiment), poi il WMAP (Wilkinson Anisotropy Probe) e infine il satellite Planck (le cui misurazioni sono ancora in corso). Perché dei satelliti? La radiazione emessa alla temperatura di, K ha un massimo a circa 1 millimetro di lunghezza d onda. Le microonde da qualche frazione di millimetro a qualche centimetro sono in gran parte assorbite dalla nostra atmosfera; di conseguenza, le osservazioni della radiazione cosmica si fanno preferibilmente da palloni in alta quota e, meglio ancora, da satelliti, che possono continuare le osservazioni anche per alcuni anni. Le prime misure effettuate con COBE (1) indicavano una temperatura costante in ogni direzione. Ma ulteriori misure () effettuate dopo aver apportato le correzioni per l effetto doppler dovuto al moto del Sistema solare nella Galassia e per la radiazione emessa dalla Galassia stessa, da altre galassie e da ammassi di Il fondo del cielo osservato dalla sonda WMAP. La radiazione cosmica a microonde, che vediamo in questo planisfero celeste, ci mostra l Universo primordiale. La colorazione dal blu al rosso evidenzia i deboli contrasti di luminosità, che corrispondono alle variazioni di temperatura della materia in formazione, quando l Universo era ancora incandescente (circa 000 gradi), mezzo milione di anni dopo il Big Bang. Le macchioline rosse rappresentano zone più calde e dense, da cui poi nasceranno gli ammassi di galassie; si può stimare che da ogni singola macchiolina si formeranno decine di migliaia di galassie. (NASA) 1 CAPITOLO 0_capitolo.indd 1 1/0/ 1:

9 Il cielo di Planck. Dopo un anno di misurazioni, il satellite europeo Planck ha tracciato questa mappa completa del cielo a microonde. La Via Lattea domina in primo piano, ma sullo sfondo si vede con un colore più aranciato (ovvero a lunghezze d onda maggiori) la radiazione cosmica primordiale. Quando il contributo della Via Lattea verrà rimosso (sfruttando la differenza spettrale), apparirà la retrostante radiazione cosmica di fondo con una nitidezza senza precedenti. Nel momento in cui stiamo completando questo libro, la comunità scientifica è in grande attesa dei prossimi risultati. (ESA) galassie hanno dimostrato che ci sono delle piccolissime disomogeneità nella temperatura, con zone più calde o più fredde di 1, centomillesimi di grado del valore medio. Queste disuniformità indicano l esistenza di strutture immense, estese molto più di 0 milioni di anni luce, e rappresenterebbero l origine delle attuali strutture a grande scala (come i superammassi di galassie) osservati nell Universo oggi. COBE aveva il difetto di essere «miope», aveva un potere risolutivo di gradi d arco, cioè non era in grado di distinguere dettagli visti sotto un angolo più piccolo di gradi, pari a 1 diametri angolari del Sole o della Luna. Le immagini dell Universo primordiale apparivano molto «sfocate». I successivi esperimenti, il progetto BOOMERANG (in cui le osservazioni erano eseguite da un telescopio su pallone stratosferico che per le particolari condizioni atmosferiche dell Antartide orbitava attorno al polo sud), e poi le osservazioni dei satelliti WMap e Planck, hanno dato immagini molto più nitide, in cui si vedevano dettagli di dimensioni angolari inferiori al grado. Queste misurazioni hanno anche permesso di stabilire che il nostro Universo è piano, obbedisce cioè alla geometria euclidea, non è né curvo e chiuso (come l analogo della superficie della sfera), né curvo e aperto (come l analogo della superficie di un iperboloide) Misteri insoluti 1 0_capitolo.indd 1 1/0/ 1:

10 Possiamo concludere questo viaggio attraverso un estensione di quasi 1 miliardi di anni luce e una durata temporale di quasi 1 miliardi di anni osservando quanto si sia dilatata la nostra conoscenza dell Universo nel corso del XX secolo, come oggi si sia coscienti di abitare un minuscolo pianeta fra miliardi di altri, di orbitare attorno a una comunissima stella fra miliardi di altre in una comune galassia fra centinaia di miliardi di altre galassie e ammassi di galassie, che costituiscono l Universo, cioè tutto ciò che esiste. Ma siamo proprio sicuri che sia così? Siamo sicuri che anche l Universo non sia uno fra tanti? Che esistano altri universi simili o diversi dal nostro? Possiamo solo immaginarlo. Sappiamo di essere fatti di materia prodotta dalle reazioni nucleari che avvengono nell interno delle stelle. Sappiamo di essere un prodotto dell evoluzione dell Universo che ha sviluppato la capacità di osservare, misurare e comprendere lo spazio intorno a noi. Forse in questo XXI secolo riusciremo a capire cosa sono la materia e l energia oscura e il loro ruolo nella formazione ed evoluzione delle galassie, a scoprire pianeti simili alla Terra e forse un giorno riceveremo un segnale radio modulato, non i soliti rumori emessi dal Sole e dalle galassie, ma un segnale chiaramente artificiale partito da un lontano pianeta anni e forse secoli fa da chi come noi si domanda: ma siamo soli nell Universo? Possibile che questo immenso Universo abbia generato una sola civiltà? 1 CAPITOLO 0_capitolo.indd 1 1/0/ 1: