La curiosità del mese a cura di Gabriele Ghisellini

Abbiamo visto che l’universo, lungi dal frenare la propria espansione, sta accelerando. Tutti si aspettavano che la velocità di allontanamento delle galassie risentisse della gravità, che le attira, rallentando la velocità con la quale si separano. Si pensava addirittura che se nell’universo ci fosse sufficiente massa, questa sarebbe riuscita un giorno a fermare del tutto l’espansione, per poi far riavvicinare le galassie, come in un film al contrario.

Invece succede l’opposto: la velocità aumenta. Come se ci fosse qualcosa che spingesse invece di tirare. La gravità “tira”, nel senso che attrae… e cos’è che spinge? Esiste una sorta di antigravità? O addirittura una nuova forza che è rimasta nascosta fino ad adesso?

Non lo sappiamo ancora. È uno dei misteri più profondi e affascinanti della fisica e della cosmologia, e ci sono centinaia di scienziati che si svegliano al mattino con questa domanda e ci pensano fino a quando vanno a letto la sera.

Non sappiamo cosa sia, ma le abbiamo dato un nome evocativo: Energia Oscura. Energia per distinguerla dalla massa, che attrae, e oscura perché non emette luce, e poi perché non sappiamo cosa sia. Mi raccomando, non confondiamola con la Massa Oscura, un altro grandissimo mistero non ancora risolto. Sappiamo infatti che oltre alla materia “normale” fatta di atomi, di elettroni, di protoni di neutroni e di tutte le altre paricelle che abbiamo scoperto, deve esistere un altro tipo di massa. Non sappiamo cosa sia e sappiamo che non emette luce, e quindi è oscura. Ma almeno sappiamo che fa quello che fanno tutte le masse: attrae.

Invece l’energia oscura spinge, fa aumentare la velocità di espansione dell’universo. Rendiamoci conto che non stiamo parlando di figli di un dio minore, di cose poco importanti: l’Energia Oscura è circa il 70 per cento di quello che compone l’universo, e la Massa Oscura totalizza un buon 25 per cento. Quindi in pratica non sappiamo cosa sia il 95 per cento dell’universo. Tutto quello che vediamo, tocchiamo, sentiamo, odoriamo, mangiamo appartiene al rimanente 5 per cento. Siamo ignoranti.

Però, anche se non sappiamo cosa sia l’energia oscura, sappiamo qualcosa di come si deve comportare, delle sue proprietà. Sappiamo che nel lontano passato era molto meno importante di adesso.  Possiamo descrivere abbastanza accuratamente l’evoluzione dell’universo nei suoi primi miliardi di anni anche senza considerare l’energia oscura. Poi, circa 6-7 miliardi di anni fa, l’energia oscura ha cominciato ad essere predominante, e la sua importanza da allora non ha fatto che crescere. Come mai?

Per rispondere a questa domanda vi devo dire una cosa sconcertante delle sue proprietà, per quanto siamo riusciti a capire finora. Seguitemi in un piccolo esperimento. Tenete la vostra mano, aperta, a circa 10-15 centimetri dalla vostra bocca e soffiate, con la bocca socchiusa. Sentirete l’aria arrivare con una certa temperatura. Poi soffiate di nuovo, ma con la bocca aperta, come cerco di fare in Fig. 2.  Sentite più caldo, vero? Come mai?

L’aria che esce dalla nostra bocca ha sempre la stessa temperatura, circa 36 gradi. Però quando teniamo la bocca socchiusa, l’aria che esce si espande, e nel farlo succedono due cose: 1) si raffredda, e 2) diventa più rarefatta, visto che la stessa aria occupa un volume maggiore. Quando invece teniamo la bocca ben aperta, l’aria si espande molto di meno, nel viaggo per arrivare alla nostra mano, e quindi sia il raffreddamento che la rarefazione sono minori. Ecco spiegato l’arcano. La spiegazione sembra convincente, vero? Qualcuno si chiederà perché l’aria si raffredda quando si espande. Per spiegarlo pensiamo ad un contenitore che si sta espandendo. Le molecole d’aria che rimbalzano contro le pareti

del contenitore tornano indietro con minore velocità, perché un po’ della loro energia è andata nello spingere la parete. Minor velocità corrisponde a minore temperatura e quindi il gas che si espande si raffredda.

Questo è quello che succede con un gas normale. Se il nostro fiato fosse fatto di energia oscura, invece, sentiremmo la stessa temperatura sia quando sofffiamo con la bocca socchiusa che quando soffiamo con la bocca ben aperta. Detto nel gergo dei fisici, questo vuol dire che la densità di energia dell’energia oscura rimane sempre la stessa. Ricordiamoci che la densità di energia è l’energia totale contenuta in un volume divisa per il volume stesso. Quindi, se aumentiamo il volume e la densità rimane costante, bisogna che l’energia totale aumenti.

È questa la proprietà sconcertante dell’energia oscura: lei spinge lo spazio, e lo spazio aumenta. Ma visto che la sua densità di energia rimane costante, questo implica che il totale di energia oscura aumenti, e questo fa aumentare la spinta, e quindi il volume, facendo aumentare l’energia oscura totale e la relativa spinta all’espansione… in un processo senza fine.

É come se ogni punto dello spazio fosse una specie di molla contratta, che tenta di spingere. Quando lo spazio aumenta, a causa dell’espansione dell’universo, aumenta anche il numero totale delle molle. Ma se avete più molle contratte spingete di più, in un processo che si autoalimenta.

É per questo che miliardi di anni fa potevamo trascurare l’energia oscura: perchè allora l’universo era più piccolo, e quindi l’energia oscura totale era di meno. E nel futuro?  Aumenterà sia l’energia oscura che la velocità di espansione dell’universo.

Il diagramma a torta di Fig. 1, fatto miliardi di anni fa, sarebbe stato diverso, con la fetta corrispondente all’energia oscura molto più piccola, mentre nel futuro la stessa fetta sarà ancora più grossa.  Con conseguenze molto importanti sul nostro futuro, che vedremo nella prossima puntata.