Materia oscura ed energia del vuoto
La temperatura della radiazione di fondo risulta essere fortemente isotropa, ovvero il suo valore rimane quasi costante in qualunque direzione la si misuri. Ciò costituisce una conferma dell'ipotesi che la materia nell'universo sia distribuita uniformemente: altrimenti, se al momento della ricombinazione la materia fosse stata molto disomogenea, avrebbe dovuto causare delle significative fluttuazioni di temperatura nella radiazione di fondo.
Figura 3.Questa mappa dell'universo vicino, nella quale ogni punto
rappresenta una galassia, è stata ottenuta da un gruppo anglo-australiano
(2dF survey) e include più di 140.000 oggetti. È evidente che la
distribuzione delle galassie non è uniforme, e che esistono strutture
molto estese. Uno dei problemi principali della cosmologia è quello di spiegare
la formazione di queste strutture.
L'universo che osserviamo attraverso i nostri telescopi non appare però affatto omogeneo. Innanzitutto le galassie si trovano in gruppi ed ammassi; inoltre sono state osservate strutture ancora più grandi e complesse, come enormi vuoti, filamenti e "muraglie" di galassie, su scale dell'ordine di 100 milioni di anni-luce (come si può vedere in figura 3). È dunque inevitabile supporre che, all'epoca della ricombinazione, vi fossero piccole fluttuazioni di densità nel gas primordiale. In tal modo le zone in cui la densità era un po' più alta, esercitando un'attrazione gravitazionale superiore, hanno progressivamente inglobato la materia circostante sino a formare stelle e galassie, a coronamento di un processo durato alcune centinaia di milioni di anni. Le fluttuazioni di densità, a loro volta, hanno generato piccole fluttuazioni nella temperatura della radiazione di fondo, che sono state effettivamente rivelate nel 1992 da COBE (figura 4). Le variazioni sono però di appena un centomillesimo rispetto alla temperatura media, e anche 15 miliardi di anni non sarebbero apparentemente bastati per formare le galassie e le altre strutture osservate. Si tenga presente che la gravità è in competizione con l'espansione, la quale rallenta il processo di accrescimento gravitazionale della materia.
Figura 4. Mappa del cielo che mostra le variazioni di temperatura nella radiazione
cosmica di fondo, misurate per la prima volta da COBE, un satellite della
NASA, nel 1992. Queste variazioni sono la traccia fossile delle
fluttuazioni di densità esistenti quando l'universo aveva poche centinaia
di migliaia di anni, che hanno poi portato alla formazione delle
galassie
Allo scopo di risolvere questo problema, gli astrofisici hanno fatto ricorso alla materia oscura. In effetti, sappiamo che nell'universo vi è una gran quantità di materia "invisibile", di cui non riusciamo ad osservare una radiazione elettromagnetica, né come luce visibile, né come onde radio o raggi X e gamma. La materia oscura però esiste, in quanto ne vediamo gli effetti gravitazionali sul moto delle stelle e del gas nelle galassie, e delle galassie stesse negli ammassi. Si stima che nelle galassie vi sia 10 volte più massa di quella che noi possiamo osservare sotto forma luminosa, e che negli ammassi di galassie vi sia una massa almeno 100 volte superiore.
Che cos'è dunque la materia oscura? È improbabile che si tratti soltanto di stelle poco luminose o di buchi neri, ovvero di materia sotto forme a noi note, composta da particelle familiari come protoni, neutroni e elettroni, in quanto ci sono dei forti limiti alla quantità di tali particelle che possono essersi formate nell'universo primordiale. I neutrini sono un candidato possibile per la materia oscura, e potrebbero effettivamente essere dotati di massa, ma questa risulta troppo piccola per dare un contributo cosmologico dominante; inoltre le simulazioni effettuate al calcolatore mostrano che neanche con i neutrini è possibile riprodurre le caratteristiche delle strutture osservate. Si deve dunque supporre che esistano particelle più massicce, come suggeriscono le teorie di grande unificazione della fisica. I candidati però sono tanti, e l'esistenza di almeno una di queste particelle è ancora tutta da dimostrare.
Dal punto di vista della formazione delle galassie, le fluttuazioni di densità della materia oscura potevano essere sufficientemente grandi da permettere la formazione delle strutture osservate senza alterare l'isotropia della temperatura della radiazione cosmica di fondo. La formazione delle galassie è descritta nel capitolo seguente: qui vogliamo soprattutto sottolineare come la presenza di materia oscura influisca sulla geometria dello spazio e sul destino dell'universo. Infatti, come abbiamo visto, quanto più alta è la densità di materia nell'universo, tanto più forte è l'attrazione gravitazionale che rallenta l'espansione. Anche se consideriamo il contributo della materia oscura nelle galassie e negli ammassi di galassie arriviamo soltanto a un terzo della densità necessaria per chiudere l'universo. Fino a poco tempo fa, si pensava che la densità critica potesse essere raggiunta lo stesso, qualora la materia oscura fosse distribuita in modo diverso da quella luminosa. Gli studi e le osservazioni più recenti mostrano però che la densità di materia è davvero inferiore alla densità critica, e suggeriscono un quadro ancora più sorprendente: la materia di qualunque tipo, sia essa luminosa od oscura, non è la componente principale dell'universo! Infatti le analisi dei risultati dell'esperimento italo-americano Boomerang (si tratta di osservazioni effettuate da un telescopio a bordo di un pallone che ha volato ad un'altezza di 38 km sull'Antartico), mostrano in modo convincente che le fluttuazioni nella radiazione di fondo hanno le caratteristiche aspettate nel caso di un universo con densità uguale a quella critica, vale a dire con geometria piatta. Ma se, come si è visto, la densità di materia, tenendo conto sia di quella luminosa che di quella oscura, non può essere superiore ad un terzo della densità critica, che cos'è che si nasconde nello spazio e contribuisce ai rimanenti 2/3 della densità dell'universo? Un'informazione utile per rispondere a questo interrogativo ci viene dalle osservazioni di supernovae lontane, le quali indicano che l'espansione dell'universo sta accelerando, e non rallentando. Questa accelerazione è la caratteristica di una costante cosmologica positiva, la quale agisce come una forza repulsiva e contribuisce con la sua densità di energia alla densità totale dell'universo (ricordiamo che in relatività materia ed energia sono equivalenti). Da un punto di vista fisico, si ritiene che questo effetto sia riconducibile all'energia del vuoto. Nella fisica moderna, infatti, lo spazio vuoto non corrisponde affatto al "nulla" filosofico; in esso, grazie al principio di indeterminazione di Heisenberg, appaiono e scompaiono coppie di particelle-antiparticelle che sono virtuali, ma che hanno effetti tangibili: è proprio grazie a loro, infatti, che il vuoto può avere una densità di energia non nulla ed esercitare un effetto gravitazionale che si manifesta come una costante cosmologica. Il risultato sorprendente di queste ricerche, affascinante ma che non deve essere considerato come definitivamente acquisito, è che l'universo non è dominato dalla materia, neppure da una materia oscura sotto forme a noi ancora ignote, ma dall'energia dello spazio vuoto! E il destino del nostro universo sembra essere, a questo punto, quello di un'espansione senza fine.