I temi 'oscuri' della cosmologia

Il modello cosmologico standard, detto Lambda-CDM, si basa su 6 parametri che concordano con i dati osservativi. Nonostante sia alquanto semplice, il modello presenta delle stranezze poichè esso implica che la maggior parte della materia nell’Universo è presente sottoforma di materia scura, costituita da un tipo di particella subatomica che non è stata ancora rivelata in laboratorio, e che la maggior parte dell’energia associata allo spazio vuoto è presente invece in una forma di energia scura. L’esistenza di queste enigmatiche e oscure componenti richiede la necessità di utilizzare alcune estensioni del modello standard delle particelle elementari, come ad esempio la supersimmetria, e indicano che la relatività generale viene meno su scale cosmologiche. Una volta John Archibald Wheeler andava riassumendo così la “geometrodinamica”, come egli preferiva chiamare la teoria della relatività: “lo spaziotempo dice alla materia come muoversi e la materia dice allo spaziotempo come curvare”. I cosmologi osservano il moto degli atomi, sia nella forma di gas che di stelle, oppure seguono le traiettorie della luce che si propaga nello spazio per derivare la sua geometria. Queste misure della curvatura dello spaziotempo vengono utilizzate per determinare indirettamente la distribuzione totale della materia e dell’energia. Ma il fatto più importante è che ad oggi la materia ordinaria, cioè la materia visibile composta dagli atomi, rappresenta solamente il 5 percento del contenuto materia-energia dell’Universo.

Singolarità? No, grazie!

E' quanto emerge da due articoli che hanno come autore principale Ahmed Farag Ali, un fisico della Zewail City of Science and Technology e della Benha University, entrambi in Egitto. Essi stanno facendo il giro della rete grazie soprattutto alle sorprendenti ipotesi che gli autori introducono sull'argomento della singolarità gravitazionale, sia per ciò che riguarda l'origine dell'Universo (Big Bang), ma anche per quanto concerne gli oggetti astrofisici più enigmatici e misteriosi che esistono in natura (buchi neri).

L’Universo potrebbe non essere ‘naturale’

Ad una conferenza tenutasi lo scorso mese di Aprile presso la Columbia University, il fisico teorico Nima Arkani-Hamed dell’Institute for Advanced Study di Princeton, ha discusso alcuni recenti risultati dalle implicazioni contraddittorie relativi agli esperimenti condotti al Large Hadron Collider (LHC).

È tempo di pensare ad una ‘nuova’ fisica?

Qualche secolo fa, gli scienziati andavano affermando che non ci fosse più nulla da scoprire, un pensiero che venne ben presto superato quando agli inizi del XX secolo vennero prima formulati i concetti base della teoria dei quanti, ad opera di Max Planck, e qualche decennio più tardi la teoria della relatività generale, grazie al genio di Albert Einstein. Oggi, dobbiamo dire che tra i fisici non c’è più quell’arroganza anche perché la relatività ci ha fornito un modello estremamente accurato dell’Universo che siamo in grado di osservare. Nonostante ciò dobbiamo tener conto di tutta una serie di altri modelli che tentano invece di spiegare quei fenomeni fisici “invisibili” che rimangono ancora un mistero. Di fatto, il sogno degli scienziati del XXI secolo è quello di riconciliare i due pilastri fondamentali della fisica e cioè da un lato la relatività generale e dall’altro la meccanica quantistica (vedasi Idee sull’Universo). Ma allora, è forse giunto il momento di introdurre un cambiamento radicale a partire dalle questioni più fondamentali? Vedremo nei seguenti paragrafi quali sono i temi fondamentali che i fisici stanno oggi discutendo e quali potrebbero essere i passi successivi verso una comprensione più profonda dei fenomeni naturali. 

Il multiverso e l’idea dell’infinita ripetizione delle storie

Tra i tanti temi di cui si occupa la cosmologia moderna uno riguarda il concetto di multiverso, cioè la possibilità che esistano infiniti universi e perciò infiniti mondi che potrebbero ospitare altrettante terre con forme di vita differenti. Ma è davvero così? Nonostante questa idea sia alquanto affascinante, tuttavia qualche scienziato rimane molto scettico. È il caso di due ricercatori spagnoli che hanno pubblicato di recente un articolo dove criticano l’idea dell’infinita ripetizione delle storie, che è strettamente collegata al concetto di storie alternate, ma anche a quello degli universi paralleli o persino all’interpretazione dei molti mondi (vedasi Enigmi Astrofisici).

Materia scura, siamo sulla ‘soglia’ di una scoperta?

Sono passati più di 2000 anni dai tempi in cui l’uomo si chiedeva di cosa siamo fatti, di che cosa è fatto l’Universo che circonda. Abbiamo pensato che tutto ciò che brillasse intorno a noi, sia sulla Terra che nello spazio, costituisse tutta la materia presente nell’Universo. Ma gli scienziati hanno scoperto che non è tutto ciò che brilla nella luce che caratterizza l’Universo piuttosto ciò che si nasconde nell’oscurità. C’è quindi un problema: il contenuto di tutta la materia visibile nell’Universo è solo il 4-5% circa. Dov’è tutto il resto? Si ritiene che la cosiddetta materia scura contribuisca a circa il 23% del contenuto materia-energia dell’Universo, anche se gli scienziati non hanno idea di che cosa si tratti dato che non è possibile osservarla direttamente (per questo motivo è stata definita con l’aggettivo “scura”). Dunque, come possiamo rivelarla e, se un giorno saremo in grado di farlo, che tipo di informazione ricaveremo sulla natura dell’Universo?

Verso l'esplorazione dell'Universo delle origini

La cosmologia è quella branca dell’astronomia che studia l’intero Universo. Attualmente, il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore per descrivere l’evoluzione dell’Universo, ma non la sua origine, ed esistono alcuni scenari che ci forniscono delle indicazioni su quale sarà il suo destino. Nonostante ciò, ricostruire la storia cosmica non è così facile. Infatti, i cosmologi possono essere paragonati agli archeologi che andando ad analizzare i resti fossili tentano di ricostruire, seppure parzialmente, il passato della Terra spingendosi fino ad epoche dell’ordine di migliaia o milioni di anni fa.