L’energia oscura e la materia oscura

Articolo tratto da Wikipedia

Nel modello cosmologico basato sul Big Bang, l'energia oscura è una forma di energia a pressione negativa diffusa in tutto lo spazio.

(Sopra) Stima della distribuzione di materia oscura e di energia oscura nell'universo.

 

Generalità

L'introduzione dell'energia oscura è attualmente il modo più diffuso fra i cosmologi per spiegare le osservazioni di un universo in espansione accelerata, come pure per colmare una significativa porzione della massa-energia mancante dell'universo.

 

Le due principali forme proposte di energia oscura sono la costante cosmologica e la quintessenza.

 

La costante cosmologica è una densità d'energia costante che riempie omogeneamente lo spazio e fisicamente equivalente all'energia del vuoto. L'aggiunta di una costante cosmologica nella teoria di base della cosmologia ha portato all'adozione di un modello chiamato Lambda-CDM, che è in accordo con le osservazioni. La quintessenza è un campo dinamico la cui densità d'energia varia nello spazio e nel tempo. La distinzione fra le due possibilità richiede misure accurate dell'espansione dell'universo per comprendere come la velocità d'espansione cambi nel tempo. Il coefficiente d'espansione è parametrizzato dall'equazione di stato, il cui calcolo è uno degli sforzi più grandi della cosmologia d'osservazione.

 

Tuttavia alcuni modelli di gravità quantistica, tra cui la gravitazione quantistica a loop, possono spiegare in maniera diversa le proprietà cosmologiche, senza avvalersi dell'energia oscura.

Il termine "energia oscura" fu coniato da Michael Turner.

Storia

Albert Einstein, vissuto in un'epoca dominata dall'idea di un universo stazionario, per contrastare gli effetti della "nuova" gravità da lui delineata, che portava a un universo dinamico (o in contrazione o in espansione), inserì nelle equazioni di campo della relatività generale la famosa costante cosmologica, simile qualitativamente a una forza antigravitazionale su larga scala. Quando nel 1929 Edwin Hubble scoprì che l'universo era in espansione Einstein ritrattò la sua idea, definendola "il mio più grande errore".

 

Con lo sviluppo della teoria quantistica della materia tra gli anni venti e trenta del novecento, si evidenziò che anche il vuoto possiede una sua ben definita energia, determinata dalle coppie di particelle e antiparticelle che si formano e si annichilano continuamente.

 

Prove dell'accelerazione dell'universo

 


(Sopra) La composizione dell'Universo

Verso la fine degli anni novanta, osservazioni di supernovae di tipo Ia suggerirono che l'espansione dell'universo fosse in accelerazione. Queste osservazioni sono state confermate da molte altre fonti indipendenti: la radiazione cosmica di fondo, l'età dell'universo, le abbondanze degli elementi dovute alla nucleosintesi primordiale, la struttura a grande scala dell'universo e le misurazioni del parametro di Hubble, come pure analisi accurate delle supernovae. Tutti questi elementi confermano il modello Lambda-CDM.

La misura della velocità dell'allontanamento di oggetti è semplicemente ottenuta misurando lo spostamento verso il rosso (redshift) dell'oggetto. Calcolare invece la distanza di quell'oggetto è un problema più complesso. Per effettuare ciò, è necessario trovare candele standard: oggetti la cui magnitudine assoluta è nota, in modo tale da rapportare la magnitudine apparente alla distanza. Senza candele standard è impossibile misurare la relazione della legge di Hubble tra la distanza e lo spostamento verso il rosso. Le supernovae di tipo Ia sono le migliori candele standard per l'osservazione cosmologica, in quanto sono molto luminose e bruciano solo quando la massa di una vecchia nana bianca raggiunge il limite di Chandrasekhar. Le distanze delle supernovae vengono quindi messe in relazione alle loro velocità; questo metodo è usato anche per determinare la storia dell'espansione dell'universo. Tali osservazioni indicano che l'universo non sta rallentando, cosa che ci si aspetterebbe in un universo dominato da materia, ma sta misteriosamente accelerando. Le osservazioni vengono dunque spiegate postulando un tipo di energia con pressione negativa.

Natura dell'energia oscura

L'esatta natura dell'energia oscura è tuttora oggetto di ricerca. È conosciuta per essere omogenea e non molto densa, e non interagisce fortemente con alcuna delle forze fondamentali, eccetto la gravità. Dal momento che non è molto densa è improbabile immaginare esperimenti per trovarla in laboratorio. L'energia oscura può tuttavia avere un forte impatto sull'universo, costituendo, come detto, il 70% di tutte l'energia e colmando uniformemente tutto lo spazio vuoto. I due modelli più importanti sono la costante cosmologica e la quintessenza.

Altre ipotesi

Alcuni teorici pensano che l'energia oscura e l'accelerazione cosmica siano prova d'un fallimento della relatività generale su scale superiori a quelle dei superammassi di galassie. Uno dei modelli alternativi sono le teorie MOND (Modified Newton Dynamics = dinamica newtoniana modificata).

Altri teorici ipotizzano invece che l'energia oscura e l'accelerazione cosmica rivelino un fallimento del Modello Standard del Big Bang, poiché costringerebbe ad ammettere la presenza di qualcosa di non ancora esperibile.

Altre idee sull'energia oscura derivano dalla teoria delle stringhe, dalla Brane cosmology e dal principio olografico, ma non si sono ancora dimostrate efficaci come quelle della quintessenza e della costante cosmologica. In analogia con fenomeni osservabili nei liquidi, si dovrebbe ipotizzare che il numero quasi infinito di urti infinitesimi tra un numero quasi infinito di particelle possa produrre una specie di pressione che allarga il pallone del nostro universo.

 

 

 

 

 

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