Otto misteri dell’Universo (quasi) impossibili
da risolvere
Ecco le sfide aperte dell’astronomia e della cosmologia, secondo Science. Enigmi su
cui i migliori cervelli del mondo si arrovellano. Alla ricerca di risposte che, forse,
non arriveranno mai
Energia oscura
Nel 1998 gli scienziati scoprono che l’espansione dell’Universo sta accelerando,
contrariamente a quanto ci si sarebbe aspettati. Suppongono perciò l’esistenza di un’energia
oscura che pervade lo spazio.
Quanto è calda la materia oscura?
La ricostruzione della materia oscura nel cluster di galassie Abell 1689. La materia oscura è
invisibile, ma gli scienziati possono inferire la sua presenza in base all’effetto della lente
gravitazionale.
Dov’è la massa mancante?
Nell’Universo ci sono meno particelle barioniche (protoni, elettroni, neutroni) di quante
dovrebbero esserci. Un’ipotesi è che questa materia mancante si nasconda in un’immensa
rete di gas caldissimo tra le galassie.
Che cosa ha reionizzato l’Universo?
Il radiotelescopio Lofar, in Olanda è in cerca delle tracce dell’idrogeno neutro che svanì
dall’Universo circa 13 miliardi di anni fa, accendendo le luci nel cielo
Come esplodono le stelle?
Attraverso sofisticate simulazioni computerizzate, gli scienziati cercano di ricostruire
esattamente in che modo le stelle esplodono, al termine della loro brillante vita.
) Da dove provengono i raggi cosmici ultra energetici?
La Terra, ogni tanto, è colpita da raggi cosmici ultra energetici, ma non si capisce quali
fenomeni cosmologici possano accelerare così tanto le particelle ordinarie fino a energie
così alte.
Perché il Sistema solare è così bizzarro?
Dei quattro pianeti interni del Sistema Solare (Mercurio, Venere, Terra e Marte) non ce n’è
uno che abbia la stessa struttura interna. Com’è possibile che si siano formati in maniera
così diversa?
Perché la corona solare è così calda?
Per gli astronomi è un paradosso, come se l’alone che circonda una fiamma fosse più caldo
della fiamma stessa.
Nello spazio profondo si annidano misteri irrisolti e, forse, irrisolvibili. Domande aperte che non
danno pace ad astronomi, astrofisici e cosmologi di tutto il mondo. A questi grattacapi cosmici, la
rivista Science ha appena dedicato un servizio speciale. Se amate le sfide impossibili, qui c’è pane
per i vostri denti.
1) Che cos’è l’energia oscura?
Nel 1998, la scoperta dell’accelerazione delle galassie fu uno shock. Ci si aspettava che la gravità
frenasse l’espansione dell’Universo. Invece, studiando una particolare classe di supernovae, di tipo
Ia, utilizzate in astronomia come “candele standard”, un gruppo di scienziati trovò il contrario. Per
capirci, è come se, lanciando una palla, questa continuasse ad allontanarsi a velocità sempre
maggiore. A dir poco controintuitivo. La scoperta valse il Premio Nobel agli autori dello studio, ma
l’astronomia si è ritrovata con una bella gatta da pelare. La forza misteriosa responsabile
dell’accelerazione è stata chiamata energia oscura e, secondo il modello standard, rappresenta circa
il 73% dell’Universo. Ma nessuno ha la più pallida idea di che cosa sia e se esista per davvero. Una
delle ipotesi, infatti, è che l’energia oscura sia un’illusione, la spia che da qualche parte c’è un
errore nella Relatività generale. Ma se invece la teoria è giusta, e fino a prova contraria lo è, allora
che cos’è l’energia oscura? Potrebbe essere semplicemente una proprietà del vuoto, una “costante
cosmologica” come ipotizzava Einstein. Oppure, un nuovo tipo di forza, detta quintessenza. Per
svelare la natura dell’energia sono in corso progetti di punta, come la Dark Energy Survey del
telescopio Blanco in Cile, che mira a scandagliare dai 200 ai 300 milioni di galassie, e future
missioni spaziali, come il telescopio Euclid dell’Agenzia spaziale europea con una fortissima
partecipazione italiana, e il Large Synoptic Survey Telescope della Nasa. Ma il mistero, per ora,
appare così fitto e imperscrutabile che gli scienziati potrebbero non arrivarne mai a capo.
2) Quanto è calda la materia oscura?
Da decenni gli scienziati hanno a che fare con una forma di materia oscura. È invisibile, non emette
radiazioni, ma c’è. La sua presenza “fantasma” è rilevabile attraverso la distorsione gravitazionale
sulla luce emessa dalle galassie e, secondo i calcoli, costituirebbe circa un quarto dell’Universo.
Una delle questioni più controverse sulla materia oscura è la temperatura delle sue esotiche
particelle. Secondo la teoria standard, la materia oscura dovrebbe essere fredda, cioè composta da
particelle pesanti (fino a mille volte più massive dei protoni) che si muovono lentamente (a una
temperatura tra 0.5 e 2.0 KeV). La materia oscura fredda spiegherebbe l’esistenza di galassie
massicce e ammassi di galassie. Ma una teoria alternativa ritiene, invece, che la materia oscura sia
più calda del previsto e che le sue particelle siano più leggere. In tal caso, si spiegherebbe il
cosiddetto problema della “galassie satelliti mancanti”. La Via Lattea, infatti, dovrebbe essere
circondata da migliaia di galassie nane, mentre ne sono state osservate solo una ventina. Un bel
puzzle su cui, tuttavia, gli scienziati sono ottimisti. Esperimenti condotti ai Laboratori nazionali del
Gran Sasso dell’Infn potrebbero riuscire a rilevare le WIMPs (Weakly Interacting Massive
Particles), le particelle che non interagiscono con alcunché e potrebbero essere la sostanza di cui è
fatta la materia oscura.
3) Dov’è la massa mancante?
Come se non bastassero energia oscura e materia oscura a rendere abbastanza enigmatico
l’Universo in cui viviamo, anche quel 5 per cento di materia ordinaria (protoni, elettroni, neutroni...)
fa impazzire gli scienziati. Già, perché più della metà di questa materia “barionica” manca
all’appello. Dalle misure effettuate della radiazione cosmica di fondo, il residuo della radiazione
prodotta dal BigBang, i cosmologi hanno calcolato la densità dei barioni nell’Universo primordiale.
Per quanto le cose siano cambiate in questi 15 miliardi di anni, i mattoni dovrebbero essere sempre
quelli. E, invece, sembra che ci sia molta meno massa ordinaria. Le galassie contano il 10% dei
barioni, un altro 10% è rappresentato dal gas caldo intergalattico e un ulteriore 30% è dato dalle
bolle di gas freddo nello spazio tra le galassie. E il resto? Il sospetto degli astrofisici è che almeno
una quota della massa mancante si trovi agglomerata in un’immensa rete di gas caldo diffuso e
altamente ionizzato, con temperature da 100 mila a 10 milioni di gradi Kelvin, chiamato Warm-Hot
Intergalactic Medium (WHIM), molto difficile da rilevare. Secondo altri, invece sarebbe distribuita
nel “ Circumgalactic medium”, intorno alle galassie. Risolvere questo problema non è solo un
esercizio aritmetico: è la chiave per capire come l’Universo è diventato quello che è.
4) Come esplodono le stelle?
Le stelle brillano per milioni e persino miliardi di anni, poi a un certo punto, finito il combustibile
che alimenta le reazioni di fusione termonucleare, si spengono. Ma alcune di loro se ne vanno in
maniera spettacolare. Il nucleo collassa e la stella esplode come supernova. Nella deflagrazione
quasi tutto il materiale viene espulso nello spazio alla velocità di 30 mila chilometri al secondo,
l’energia sprigionata è paragonabile a trilioni di trilioni di bombe nucleari e la brillantezza del botto
per alcuni giorni fa più luce dell’intera galassia. Il sogno degli astrofisici è catturare una “moviola”
dell’esplosione delle supernovae. Per ora, si lavora a sofisticatissime simulazioni al computer.
5) Che cosa ha reionizzato l’Universo?
Circa 400 mila anni dopo il Big Bang, protoni e neutroni si raffreddarono abbastanza da unirsi a
formare atomi di idrogeno neutro. Questa fitta nebbia che assorbiva i fotoni rese l’Universo
completamente opaco: è la cosiddetta “era buia”. Dopo altri 400 mila anni, qualcosa strappò via di
nuovo gli elettroni dagli atomi, ionizzando il gas e trasformando di nuovo l’Universo in un posto
trasparente alla luce, com’è ancora oggi. Questo evento è noto come “reionizzazione”. Che cosa lo
abbia provocato, però, nessuno ancora lo sa con certezza. Secondo recenti osservazioni del
telescopio spaziale Hubble, a emettere la radiazione ionizzante sarebbero state le stelle massive
della prima generazione, ma il dubbio è che all’epoca non si fossero ancora formate abbastanza
galassie per emettere l’energia necessaria a reionizzare l’Universo. Nuove risposte potrebbero
arrivare dal telescopio Lofar, in Olanda, e soprattutto dallo Square Kilometre Array che Australia e
Sud Africa costruiranno insieme nei prossimi dieci anni.
6) Da dove provengono i raggi cosmici più energetici?
Avviene raramente, ma ogni tanto la Terra è investita da particelle cosmiche che viaggiano a
energie nell’ordine di 10 20 elettronvolt, così elevate che nessuno sa quale fenomeno cosmico possa
averle prodotte. Persino le esplosioni di supernovae non sarebbero capaci di generare energie
superiori a 10 15 eV. Per di più, questi raggi cosmici ultra energetici non possono arrivare da
lontano: le particelle non potrebbero mantenere energie così alte viaggiando a lungo nello spazio.
Gli astronomi restringono la loro origine nel raggio di poche migliaia di galassie attorno alla Via
Lattea, escludendo quindi altre centinaia di miliardi di galassie nell’Universo. Ci sono varie teorie,
tra cui jet di buchi neri giganti, e ipotesi più fantasiose, come il decadimento di particelle esotiche
supermassive originatesi nel Big Bang o l’ipotetico collasso di stringhe cosmiche. Sulla questione si
lambiccano da anni il cervello i ricercatori del Pierre Auger Observatory, a cui arriverà presto a dar
manforte l’Extreme Universe Space Observatory, che dovrebbe essere agganciato alla Stazione
Spaziale internazionale nel 2016 .
7) Perché il Sistema solare è così bizzarro?
I pianeti del Sistema solare sono uno diverso dall’altro. In particolare, i quattro mondi interni
(Mercurio, Venere, Terra e Marte) non hanno praticamente nulla in comune, a parte la crosta
esterna rocciosa e un cuore di metalli. Differiscono l’un l’altro per l’atmosfera, la struttura interna,
il campo magnetico. Quelli esterni, poi, sono ancora più bizzarri. Come Giove, con i suoi satelliti,
Saturno con i suo anelli, Urano e Nettuno che hanno circa 20 volte la massa della Terra ma
orbitano, rispettivamente 20 e 30 volte più lontani dal Sole. Come si spiega la grande diversità dei
fratelli del nostro Sistema planetario? È stato tutto frutto del caso? Non è chiaro, anche se
probabilmente secondo gli scienziati i pianeti non si sono formati dove oggi li vediamo. La ricerca
sui pianeti extrasolari aiuterà a far luce anche in casa nostra.
8) Perché la corona solare è così calda?
Perché nella regione più esterna dell’atmosfera del Sole (corona) la temperatura è enormemente più
alta (circa 1 milione di gradi Kelvin) rispetto alla sua superficie visibile, la fotosfera, dove la
temperatura arriva solo a circa 5.700 gradi Kelvin? È un paradosso, un po’ come se l’aria intorno a
una fiamma fosse più calda della fiamma stessa. I fisici solari si interrogano su questo problema da
almeno vent’anni. Alcuni progressi sono stati fatti recentemente grazie a due osservatori solari
orbitanti ( Hinode e Solar Dynamics Observatory) che hanno rilanciato, tra le altre, l’ipotesi dei
cosiddetti nanoflares o nanobrillamenti, cioè piccole esplosioni molto localizzate nella corona
solare. Tuttavia, con gli strumenti attuali è difficile risolvere questo enigma. Serviranno strumenti
più potenti, come Iris della Nasa, che dovrebbe essere lanciato il prossimo dicembre, o Solar Orbiter
dell’Esa, il cui lancio è previsto nel 2017.
