Negli ultimi decenni gli scienziati hanno scoperto che c’è molto più nell’universo di quanto vediamo. Il cosmo sembra pieno di due costituenti invisibili, energia e materia oscura che vengono rilevate indirettamente dagli effetti sulla materia e l’energia ordinarie.
Ora il fisico teorico Robert Scherrer ha creato un modello che potrebbe tagliare a metà il mistero spiegando materia ed energia oscure come due aspetti di una forza sconosciuta. Il suo modello è descritto nel documento “Purely Kinetic k Essence as Unified Dark Matter” pubblicato in Physical Review Letters il 30 giugno 2004 e disponibile online.
“Un modo per pensarlo è che l’universo è pieno di un fluido invisibile che esercita pressione sulla materia ordinaria e cambia il modo in cui l’universo si espande”, dice Scherrer, professore di fisica alla Vanderbilt University.
Secondo Scherrer, il suo modello è estremamente semplice ed evita i maggiori problemi che hanno caratterizzato sforzi precedenti di unificazione della materia oscura e dell’energia oscura. Negli anni ’70, gli astrofisici hanno postulato l’esistenza di particelle invisibili dette materia oscura per spiegare il movimento delle galassie. Su queste osservazioni, hanno stimato che deve esistere una quantità di materia oscura 10 volte superiore alla materia ordinaria. Una possibile spiegazione per la materia oscura è che sia composta da un nuovo tipo di particella (Weakly Interacting Massive Particles, o WIMPs) che non emette luce e interagisce debolmente con la materia ordinaria. Sono in corso diversi esperimenti per scoprire la presenza di queste particelle.
Se non fosse abbastanza, negli anni ’90 si aggiunge l’energia oscura, che produce una forza repulsiva che sembra dividere a metà l’universo. Gli scienziati hanno invocato l’energia oscura per spiegare la scoperta sorprendente che la velocità alla quale l’universo si sta espandendo non rallenta, come molti cosmologi avevano pensato, ma accelera. Secondo le ultime stime, l’energia oscura compone il 75% dell’universo e la materia oscura un altro 23%, lasciando la materia e l’energia ordinaria con un ruolo di minoranza del solo 2%.
L’idea di unificazione di Scherrer è una forma esotica di energia con proprietà ben definite ma complicate, chiamato campo scalare. In questo contesto, un campo è una quantità fisica che possiede energia e pressione che si diffonde nello spazio. I cosmologi hanno prima invocato i campi scalari per spiegare l’inflazione cosmica, un periodo subito seguente al Big Bang quando l’universo sembra essere passato in un episodio di iper-espansione, gonfiandosi di miliardi di volte in meno di un secondo.
Nello specifico, Scherrer usa un campo scalare di seconda-generazione, conosciuto come K-essence, nel suo modello. I campi K-essence sono stati proposti da Paul Steinhardt alla Princeton University e altri come spiegazione dell’energia oscura, ma Scherrer è il primo ad evidenziare che un semplice tipo di campo K-essence può anche produrre gli effetti attribuiti alla materia oscura. Gli scienziati differenziano tra materia oscura ed energia oscura, perchè sembrano comportarsi differentemente. La materia oscura sembra avere massa e formare giganti agglomerati. Infatti, i cosmologi calcolano che l’attrazione gravitazionale di questi raggruppamenti hanno giocato un ruolo chiave nella formazione delle galassie grazie alla materia ordinaria. L’energia oscura in contrasto, sembra non avere massa e diffondersi uniformemente nello spazio dove agisce come una specie di anti-gravità, una forza repulsiva che divide l’universo.
I campi K-essence possono modificare il proprio comportamento nel tempo. Studiando un semplice tipo di campo K-essence in cui l’energia potenziale è una costante, Scherrer ha scoperto che con l’evolversi del campo, passa in una fase in cui può agglomerarsi e mimare l’effetto delle particelle invisibili seguita da una fase dove si diffonde uniformemente attraverso lo spazio e prende le caratteristiche dell’energia oscura.
“Il modello si evolve naturalmente in uno stato dove sembra la materia oscura per un periodo e quindi energia oscura” dice Scherrer. “Quando l’ho capito, ho pensato, questo è interessante, vediamo cosa possiamo farne”.
Quando ha esaminato il modello in dettaglio, Scherrer ha scoperto che si evitano molti dei problemi che hanno ostacolato precedenti teorie che tentano di unificare la materia oscura e l’energia oscura. Il più giovane modello per l’energia oscura venne prodotto modificando la teoria generale della relatività in modo che includesse un termine detto costante cosmologica. Questo fu un termine che Einstein incluse originalmente per bilanciare la forza di gravità e formare un universo statico. Però poi abbandonò la costante quando le osservazioni astronomiche di quei giorni scoprirono che non era necessaria.
Modelli recenti che reintroducono la costante cosmologica lavorano bene nel riprodurre gli effetti dell’energia oscura, ma non spiegano la materia oscura. Un tentativo di unificazione della materia oscura e dell’energia oscura, detto modello del Gas di Chaplygin, è basato sul lavoro dei fisici Russi degli anni ’30. Produce un iniziale stadio della materia oscura, seguito da una evoluzione tipo energia oscura, ma ha difficoltà nello spiegare il processo della formazione delle galassie. La formulazione di Scherrer ha qualche similarità con una teoria di unificazione proposta nel 2004 da Nima Arkani-Hamed alla Harvard University e colleghi, che tentano di descrivere la materia oscura e l’energia oscura come emergenti dal comportamento di un fluido invisibile e onnipresente che chiamano “condensato fantasma”.
Benchè il modello di Scherrer abbia diverse caratteristiche positive, mostra anche qualche inconveniente. Un esempio, richiede una estrema “messa a punto” per funzionare. I fisici precisano anche che servirà più lavoro per determinare se il comportamento del modello è coerente con altre osservazioni. In aggiunta, non può rispondere al problema della coincidenza: perchè viviamo nell’unico momento nella storia dell’universo quando le densità calcolate della materia e dell’energia oscura sono paragonabili. Gli scienziati sospettano questo perchè suggerisce che ci sia qualcosa di speciale nell’era odierna.
Fraser Cain
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org