L’Universo sull’orlo di un precipizio

Più osserviamo l’Universo e più ci appare strano. Oggi, fisici e astronomi sono impegnati ad affrontare tutta una serie di ostacoli per comprendere alcuni aspetti sull’origine e il contenuto dell’Universo. Qui di seguito, esaminiamo con l’aiuto di alcuni scienziati cinque problematiche che sembrano inspiegabili e ci chiediamo che cosa si cela dietro di essi.

SMASH, un ‘frullatore’ di teorie

Cinque dei più grandi problemi della fisica fondamentale potrebbero essere risolti in un solo colpo. È quanto emerge da uno studio guidato da Guillermo Ballesteros dell’Università di Paris-Saclay in Francia e collaboratori che propongono un nuovo modello, denominato SMASH e basato sul modello standard della fisica delle particelle elementari, per spiegare la materia scura, l’oscillazione del neutrino, la bariogenesi, l’inflazione cosmica e la simmetria carica-parità (CP).

L’importanza degli universi virtuali

Mentre gli scienziati di diversi campi di studio possono condurre esperimenti in laboratorio, come i fisici delle particelle con i loro grandi acceleratori o i biologi che utilizzano potenti microscopi, gli astronomi non sono in grado di studiare da vicino una stella o un pianeta. Persino i telescopi più avanzati forniscono solo immagini istantanee del cosmo in cui sono veramente pochi i cambiamenti che possono essere analizzati durante la nostra vita. Rimangono, perciò, questioni aperte, come ad esempio il problema che riguarda la formazione della nostra galassia, che cos’è la materia scura e quale sia il ruolo che hanno i buchi neri supermassicci che risiedono nel nucleo delle galassie. Nel tentativo di rispondere a queste problematiche, oggi alcuni cosmologi stanno affrontando progetti ambiziosi: creare “universi virtuali” che, grazie alle simulazioni al computer, potranno fornire preziosi indizi per comprendere l’evoluzione cosmica.

L’Universo senza compleanno

Secondo il modello del Big Bang, la struttura su larga dell’Universo si espande continuamente, e sempre più velocemente, e lo spazio appare mediamente uguale in ogni direzione. Inoltre, il modello del Big Bang assume che la fisica convenzionale, inclusa la teoria della gravità di Einstein, sia più o meno corretta. In base a questo modello, se si riavvolge indietro di 13,8 miliardi di anni la storia cosmica si arriva ad un “inizio” in cui l’Universo si trovava in uno stato fisico incredibilmente caldo e denso: stiamo parlando della singolarità gravitazionale. Il tempo inizia quando questa singolarità esplode nel Big Bang. Stephen Hawking ha dichiarato che è possibile “eliminare” dalle nostre teorie cosmologiche alcuni eventi “prima” del Big Bang in quanto non esiste alcun modo di misurarli. Tuttavia, la domanda su ciò che ha preceduto il Big Bang rimane ancora affascinante e per qualche scienziato non si può evitare dal punto di vista teorico.

Esplorando l’energia scura con i supercomputer

Il prossimo decennio potrebbe vedere un rapido sviluppo nell’ambito della ricerca sull’energia scura, quella enigmatica componente che costituisce circa il 70 percento del contenuto materia-energia dell’Universo. Due nuovi strumenti, molto potenti, esploreranno il cielo a caccia di galassie distanti. DESI, che sta per Dark Energy Spectroscopic Instrument, misurerà la distanza di 35 milioni di oggetti cosmici mentre LSST, il Large Synoptic Survey Telescope, realizzerà una serie di immagini e video ad alta risoluzione di circa 40 miliardi di galassie. Entrambi gli strumenti permetteranno agli astronomi di comprendere ancora più in dettaglio come l’energia scura, quel fenomeno che sembra essere responsabile dell’espansione cosmica accelerata, abbia dato forma alla struttura dell’Universo nel corso del tempo.

Idee sulla materia scura

È passato quasi un secolo da quando negli anni ‘30 un astronomo di origine svizzera, Fritz Zwicky, utilizzò per la prima volta il termine “materia scura”, quell’enigmatica componente che costituisce circa un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo e che finora sfugge a qualsiasi spiegazione scientifica. I fisici possono misurare i suoi effetti gravitazionali sul moto delle galassie e degli altri oggetti celesti ma ciò di cui è fatta rimane ancora un mistero. Per arrivare ad una soluzione, gli scienziati hanno introdotto diverse ipotesi e un modo univoco per ognuna di esse allo scopo di rivelare le particelle che la compongono. Alcune idee sono emerse a seguito di una serie di tentativi per risolvere altri problemi di fisica fondamentale, altre stanno spingendo i limiti della nostra conoscenza verso ciò che si ritiene possa essere, o non essere, in definitiva la materia scura. Dunque, la domanda è: cosa potrebbe essere la materia scura? Vediamo qui di seguito un breve stato dell’arte sulle particelle maggiormente candidate.

Alla ricerca di materia scura ‘leggera’

Una delle domande che può sembrare in prima battuta paradossale è se le particelle che compongono la materia scura possono essere “leggere”. Oggi, tutta una serie di rivelatori sempre più sensibili, dati sperimentali e nuove teorie che tentano di far luce su questa enigmatica componente dell’Universo stanno guidando la ricerca verso queste candidate super-leggere, che potrebbero avere una massa persino inferiore a quella del protone.

Dov’è ‘nascosta’ la forza di Higgs?

Nel 2012, il bosone di Higgs è diventato ufficialmente un membro della famiglia di particelle elementari (post). I bosoni sono quelle particelle che trasportano le interazioni fondamentali. Queste forze attraggono e respingono ciò che sarebbe altrimenti stata una sorta di “zuppa di particelle” in un bellissimo mosaico di stelle e galassie che popolano l’Universo osservabile.

Galassie nane satelliti: chi le ha viste?

La presenza di una specie di ondulazione nella periferia della Via Lattea (post) ha portato l’astrofisica Sukanya Chakrabarti del Rochester Institute of Technology (RIT) a rivelare una galassia nana, rimasta nascosta sotto il proprio “velo” di materia scura. Tale scoperta sta permettendo alla ricercatrice di affinare una tecnica per individuare altre galassie nane e comprendere ancora meglio la natura della materia scura mediante simulazioni numeriche che riguardano le storie evolutive delle galassie a disco, ricche di idrogeno atomico, e delle rispettive popolazioni di galassie satelliti.

Una ‘superstrada’ di materia scura

Grazie all’ausilio dei migliori dati disponibili per monitorare il “traffico galattico” nel nostro vicinato cosmico, Noam Libeskind del Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) e collaboratori hanno costruito una mappa dettagliata relativa al moto delle galassie vicine. Gli scienziati hanno scoperto una sorta di “ponte” di materia scura che si diparte dal nostro Gruppo Locale e arriva fino all’ammasso della Vergine, un insieme di circa 2000 galassie situato a 50 milioni di anni-luce, limitato su entrambi i lati da enormi spazi vuoti (“bolle”) privi di galassie. Il ponte di materia scura e i vuoti forniscono nuovi indizi ad un problema vecchio di 40 anni che riguarda la curiosa distribuzione delle galassie nane. I risultati di questo studio su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.