La maggior parte del nostro universo è nascosto in piena vista. Anche se non possiamo vederlo o toccarlo, la maggior parte degli astronomi dice che la maggior parte del cosmo consiste di materia ed energia oscura. Ma cos’è questa roba misteriosa e invisibile che ci circonda? E qual è la differenza tra energia oscura e materia oscura? In breve, la materia oscura rallenta l’espansione dell’universo, mentre l’energia oscura la accelera.

La materia oscura funziona come una forza attrattiva – una specie di cemento cosmico che tiene insieme il nostro universo. Questo perché la materia oscura interagisce con la gravità, ma non riflette, assorbe o emette luce. Nel frattempo, l’energia oscura è una forza repulsiva – una sorta di antigravità – che guida l’espansione sempre più rapida dell’universo.

L’energia oscura è la forza di gran lunga più dominante delle due, rappresentando circa il 68% della massa e dell’energia totali dell’universo. La materia oscura costituisce il 27%. E il resto – un misero 5% – è tutta la materia regolare che vediamo e con cui interagiamo ogni giorno.

La materia oscura non può essere fotografata, ma i ricercatori possono rilevarla e mapparla misurando la lente gravitazionale. La sua distribuzione è mostrata qui nella sovrapposizione blu della regione interna di Abell 1689, un ammasso di galassie a 2,2 miliardi di anni luce di distanza. (Credit: NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS)

Materia oscura

Negli anni ’30, l’astronomo svizzero Fritz Zwicky studiò le immagini delle circa 1.000 galassie che compongono l’ammasso Coma – e notò qualcosa di strano nel loro comportamento. Le galassie si muovevano così velocemente che avrebbero dovuto semplicemente volare via. Ha ipotizzato che una sorta di “materia oscura” le tenesse insieme.

Decenni dopo, gli astronomi Vera Rubin e Kent Ford hanno trovato un fenomeno simile quando hanno studiato i tassi di rotazione delle singole galassie. Le stelle sul bordo esterno di una galassia dovrebbero girare più lentamente delle stelle vicino al centro. Questo è il modo in cui orbitano i pianeti del nostro sistema solare. Invece, hanno notato che le stelle alla periferia di una galassia orbitano altrettanto velocemente – o più velocemente – delle stelle più vicine. Rubin e Ford avevano trovato altre prove che qualche forma invisibile di materia sta apparentemente tenendo insieme l’universo.

“Anche le stelle alla periferia orbitano ad alta velocità”, ha spiegato Rubin in un’intervista a Discover. “Ci deve essere molta massa per far orbitare le stelle così rapidamente, ma non possiamo vederla. Chiamiamo questa massa invisibile materia oscura”

Gli astronomi hanno ora molte altre linee di prova che suggeriscono che la materia oscura è reale. Infatti, l’esistenza della materia oscura è così ampiamente accettata che fa parte del cosiddetto modello standard della cosmologia, che costituisce la base di come gli scienziati comprendono la nascita e l’evoluzione dell’universo. Senza di essa, non possiamo spiegare come siamo arrivati qui.

Un’ampia vista dell’universo locale, che si estende per centinaia di milioni di anni luce, rivela la struttura a grumi e a ragnatela del cosmo, con filamenti di galassie e vuoti immensi. La Via Lattea è solo uno dei tanti punti che compongono il Superammasso della Vergine. Piuttosto che semplici spazi vuoti e passivi, i vuoti potrebbero contenere indizi per comprendere la materia oscura, l’energia oscura e l’evoluzione galattica. (Credit: Andrew Z. Colvin)

Ma questo status elevato mette pressione sui cosmologi per trovare la prova definitiva che la materia oscura esiste e che il loro modello di universo è corretto. Per decenni, i fisici di tutto il mondo hanno impiegato strumenti sempre più high-tech per cercare di rilevare la materia oscura. Finora non ne hanno trovato traccia.

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L’energia oscura

Gli astronomi sanno che il nostro universo si sta espandendo da circa un secolo. Le osservazioni telescopiche hanno mostrato che la maggior parte delle galassie si sta allontanando l’una dall’altra, il che implica che le galassie erano più vicine nel lontano passato. Di conseguenza, le prove si sono accumulate per il Big Bang. Tuttavia, gli astronomi hanno supposto che l’attrazione gravitazionale combinata di tutte le stelle e galassie del cosmo dovrebbe rallentare l’espansione dell’universo. Forse un giorno sarebbe addirittura collassato su se stesso in un Big Crunch.

Questa nozione fu scartata alla fine degli anni ’90, tuttavia, quando due squadre di astronomi notarono qualcosa che non aveva alcun senso. I ricercatori che studiavano le supernove nelle galassie più lontane scoprirono che le galassie lontane si stavano allontanando da noi più velocemente di quelle vicine. L’universo non si stava semplicemente espandendo – l’espansione stava accelerando.

(Credit: Roen Kelly/Discover)

“La mia reazione è da qualche parte tra lo stupore e l’orrore”, disse al New York Times nel 1998 l’astronomo Brian Schmidt, che guidò uno dei due team. “Stupore, perché non mi aspettavo questo risultato, e orrore nel sapere che probabilmente non sarà creduto dalla maggioranza degli astronomi – che, come me, sono estremamente scettici nei confronti dell’inaspettato.”

Ma piuttosto che confutarla, le osservazioni successive hanno solo reso le prove dell’energia oscura più solide. Infatti, alcuni importanti critici della materia oscura accettano ancora l’esistenza dell’energia oscura.

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Ora, questo non significa che i ricercatori sappiano cosa sia l’energia oscura. Lungi da ciò. Ma possono descrivere il suo ruolo nell’universo, grazie alla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Einstein non sapeva dell’energia oscura, ma le sue equazioni suggerivano che potesse nascere un nuovo spazio. E ha anche incluso un fattore di correzione nella relatività chiamato costante cosmologica, che ha aggiunto – e di cui poi si è pentito – per evitare che l’universo collassi verso l’interno. Questa idea permette allo spazio stesso di avere energia. Tuttavia, gli scienziati non hanno ancora mai visto questa forza sulla Terra.

Alcuni fisici teorici pensano che ci sia un intero regno oscuro di particelle e forze là fuori, che aspetta solo di essere scoperto. Di qualunque cosa siano fatte l’energia oscura e la materia oscura, sembra che stiano giocando al tiro alla fune con il nostro universo – sia tenendolo insieme che tirandolo a sé.