Materia ed energia oscura

Buchi neri e materia oscura

Salve. Ho letto che la materia oscura spiegherebbe l'eccesso di energia rotazionale e forza centripeta della materia visibile delle galassie, mentre l'energia oscura sarebbe la causa di un'accelerazione dell'espansione dell'universo che emergerebbe dalle osservazioni del moto delle galassie negli ultimi 5 miliardi di anni, fatte dal 1994 col telescopio Hubble.

Se la massa e l'energia sono legate da un'equazione +E = +mc² (una massa positiva e attrattiva mi dà un'energia positiva), come è possibile che in un caso la stessa "essenza" venga chiamata in causa per spiegare una repulsione (accelerazione tra le galassie) e in altri l'aumento di attrazione (di più immediata comprensione)? Le spiegazioni danno per scontato il meccanismo dell'energia oscura nello spiegare tale accelerazione dell'espansione.


Alfredo Tifi
25 dicembre 2007

La domanda mette bene in evidenza una confusione di fondo dovuta all'uso, probabilmente infelice, di chiamare "materia oscura" ed "energia oscura" due cose in linea di principio completamente diverse, che in comune hanno solo la caratteristica di essere "oscure" proprio nel senso di "misteriose".

Molte evidenze, accumulate negli anni, portano alla conclusione che nell'Universo c'è molta più "materia" (ovvero particelle dotate di massa che si muovono a velocità molto più piccole di quella della luce) di quanta se ne possa associare ai comuni atomi. Infatti, la materia che noi riusciamo a "vedere" ammonta circa all'1% della densità totale di massa/energia dell'Universo, mentre la densità totale di materia comune (atomi) viene stimata a circa il 4%. Contemporaneamente, misure dinamiche (come le curve di rotazione delle galassie) ci dicono che la materia totale dovrebbe contribuire a circa il 30% della densità cosmologica. Questo vuol dire che la maggiorparte della materia è costituita non da atomi ma da particelle di una specie sconosciuta, che interagisce molto debolmente con la materia e non emette ne assorbe luce.

La gravità che questa materia esercita su sè stessa causa naturalmente un rallentamento dell'espansione dell'Universo. Però le osservazioni di supernove lontane mostrano evidenza di come l'evoluzione dell'Universo abbia accelerato negli ultimi miliardi di anni. Cosa acceleri l'espansione è uno dei grandi misteri della cosmologia attuale. Dal punto di vista matematico, l'accelerazione può essere semplicemente descritta come l'effetto di una "costante cosmologica", cioè un numero da aggiungere alle equazioni di Einstein per ottenere l'effetto di repulsione voluto.  Ma ci sono forme di energia che possono entrare nelle equazioni di Einstein come termini "effettivi" di costante cosmologica.  Infatti, in queste equazioni entra non solo la densità di massa/energia ma anche la pressione. Una eventuale componente con densità di energia positiva ma pressione negativa sarebbe in grado di accelerare l'espansione dell'Universo. Questo ha spinto i teorici a proporre una componente chiamata prima "quintessenza", poi "energia oscura".

Sia la materia che l'energia oscura potrebbero essere sottoprodotti "nascosti" delle teorie di grande unificazione delle particelle elementari, ma rimane sempre aperta la possibilità che la gravità non sia descritta correttamente dalle equazioni di Einstein, e che materia ed energia oscura non siano altro che "epicicli" e "referenti" aggiunti ad un modello non adeguato a rappresentare la realtà. I teorici stanno analizzando con cura entrambe le possibilità.

Per una risposta più dettagliata sul perché la pressione negativa causi l'espansione accelerata dell'Universo, e su come si possa ottenere una pressione negativa, si può consultare, per esempio, questo sito:
http://physics.infis.univ.trieste.it/~monaco/node30.html


Pierluigi Monaco Dipartimento di Astronomia, Università di Trieste
Keywords: cosmologia

© Copyright SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Trieste (Italy) - 2001-2011