Nota dell’editore: Questa storia è stata originariamente stampata nel numero di febbraio 2004 di Scientific American. La ripubblichiamo perché l’autore Adam Riess è stato selezionato come MacArthur Fellow nel 2008 dalla Fondazione MacArthur.
Dai tempi di Isaac Newton fino alla fine degli anni ’90, la caratteristica distintiva della gravità era la sua natura attraente. La gravità ci tiene a terra. Rallenta l’ascesa delle palle da baseball e tiene la luna in orbita intorno alla terra. La gravità impedisce al nostro sistema solare di andare in pezzi e tiene insieme enormi ammassi di galassie. Anche se la teoria generale della relatività di Einstein permette alla gravità di spingere e tirare, la maggior parte dei fisici la considerava una possibilità puramente teorica, irrilevante per l’universo di oggi. Fino a poco tempo fa, gli astronomi si aspettavano di vedere la gravità rallentare l’espansione del cosmo.
Nel 1998, tuttavia, i ricercatori hanno scoperto il lato repulsivo della gravità. Osservando attentamente supernove lontane – esplosioni stellari che per un breve periodo brillano come 10 miliardi di soli – gli astronomi hanno scoperto che erano più deboli del previsto. La spiegazione più plausibile per la discrepanza è che la luce delle supernovae, esplose miliardi di anni fa, ha viaggiato a una distanza maggiore di quanto previsto dai teorici. E questa spiegazione, a sua volta, ha portato alla conclusione che l’espansione dell’universo sta effettivamente accelerando, non rallentando. Questa è stata una scoperta così radicale che alcuni cosmologi hanno suggerito che la diminuzione della luminosità delle supernova fosse il risultato di altri effetti, come la polvere intergalattica che oscura la luce. Negli ultimi anni, però, gli astronomi hanno solidificato il caso dell’accelerazione cosmica studiando supernovae sempre più remote.
Ma l’espansione cosmica ha accelerato per tutta la vita dell’universo o è uno sviluppo relativamente recente, cioè avvenuto negli ultimi cinque miliardi di anni circa? La risposta ha profonde implicazioni. Se gli scienziati scoprono che l’espansione dell’universo ha sempre accelerato, dovranno rivedere completamente la loro comprensione dell’evoluzione cosmica. Ma se, come si aspettano i cosmologi, l’accelerazione risulta essere un fenomeno recente, i ricercatori potrebbero essere in grado di determinare la sua causa – e forse rispondere alla più ampia domanda sul destino dell’universo – imparando quando e come l’espansione ha iniziato a prendere velocità.
Battaglia di titani
QUASI 75 ANNI FA l’astronomo Edwin Hubble scoprì l’espansione dell’universo osservando che altre galassie si allontanavano dalla nostra. Notò che le galassie più lontane si allontanavano più velocemente di quelle vicine, in accordo con quella che ora è conosciuta come la legge di Hubble (la velocità relativa è uguale alla distanza moltiplicata per la costante di Hubble). Vista nel contesto della teoria della relatività generale di Einstein, la legge di Hubble nasce a causa dell’espansione uniforme dello spazio, che è semplicemente un aumento in scala delle dimensioni dell’universo.
Nella teoria di Einstein, la nozione di gravità come forza attrattiva vale ancora per tutte le forme conosciute di materia ed energia, anche su scala cosmica. Pertanto, la relatività generale predice che l’espansione dell’universo dovrebbe rallentare ad una velocità determinata dalla densità della materia e dell’energia al suo interno. Ma la relatività generale permette anche la possibilità di forme di energia con strane proprietà che producono gravità repulsiva. La scoperta di un’espansione in accelerazione piuttosto che in decelerazione ha apparentemente rivelato la presenza di una tale forma di energia, denominata energia oscura.
Se l’espansione sta rallentando o accelerando dipende da una battaglia tra due titani: l’attrazione gravitazionale della materia e la spinta gravitazionale repulsiva dell’energia oscura. Ciò che conta in questa lotta è la densità di ciascuno. La densità della materia diminuisce quando l’universo si espande perché il volume dello spazio aumenta. (Solo una piccola frazione della materia è sotto forma di stelle luminose; la maggior parte è ritenuta essere materia oscura, che non interagisce in modo evidente con la materia ordinaria o la luce, ma ha una gravità attrattiva). Sebbene si sappia poco dell’energia oscura, ci si aspetta che la sua densità cambi lentamente o non cambi affatto man mano che l’universo si espande. Attualmente la densità dell’energia oscura è più alta di quella della materia, ma in un lontano passato la densità della materia avrebbe dovuto essere maggiore, quindi l’espansione avrebbe dovuto rallentare allora.
I cosmologi hanno altre ragioni per aspettarsi che l’espansione dell’universo non abbia sempre accelerato. Se lo fosse stata, gli scienziati non riuscirebbero a spiegare l’esistenza delle strutture cosmiche osservate oggi nell’universo. Secondo la teoria cosmologica, le galassie, gli ammassi di galassie e le strutture più grandi si sono evolute da piccole disomogeneità nella densità della materia del primo universo, che sono rivelate dalle variazioni della temperatura del fondo cosmico a microonde (CMB). La più forte gravità attrattiva delle regioni di materia troppo dense ha fermato la loro espansione, permettendo loro di formare oggetti legati gravitazionalmente – da galassie come la nostra a grandi ammassi di galassie. Ma se l’espansione dell’universo fosse stata sempre accelerata, avrebbe distrutto le strutture prima che potessero essere assemblate. Inoltre, se l’espansione fosse stata accelerata, due aspetti chiave dell’universo primordiale – il modello delle variazioni della CMB e le abbondanze degli elementi luminosi prodotti pochi secondi dopo il big bang – non sarebbero d’accordo con le osservazioni attuali.
Nonostante ciò, è importante cercare prove dirette di una fase precedente di espansione più lenta. Tali prove aiuterebbero a confermare il modello cosmologico standard e darebbero agli scienziati un indizio sulla causa sottostante all’attuale periodo di accelerazione cosmica. Poiché i telescopi guardano indietro nel tempo quando raccolgono la luce di stelle e galassie lontane, gli astronomi possono esplorare la storia dell’espansione dell’universo concentrandosi su oggetti lontani. Questa storia è codificata nella relazione tra le distanze e le velocità di recessione delle galassie. Se l’espansione sta rallentando, la velocità di una galassia lontana sarebbe relativamente maggiore della velocità prevista dalla legge di Hubble. Se l’espansione sta accelerando, la velocità della galassia lontana scenderebbe sotto il valore previsto. O, per dirla in un altro modo, una galassia con una data velocità di recessione sarà più lontana del previsto – e quindi più debole – se l’universo sta accelerando.
Caccia alla supernova
Per approfittare di questo semplice fatto occorre trovare oggetti astronomici che abbiano una luminosità intrinseca nota – la quantità di radiazione al secondo prodotta dall’oggetto – e che possano essere visti nell’universo. Una particolare classe di supernovae note come di tipo Ia si presta bene a questo compito. Queste esplosioni stellari sono così luminose che i telescopi terrestri possono vederle a metà dell’universo visibile, e il telescopio spaziale Hubble può vederle anche da più lontano. Nell’ultimo decennio, i ricercatori hanno attentamente calibrato la luminosità intrinseca delle supernovae di tipo Ia, così la distanza di una di queste esplosioni può essere determinata dalla sua luminosità apparente.
Gli astronomi possono dedurre la velocità di recessione di una supernova misurando il redshift della luce dalla galassia in cui si trova. Le radiazioni degli oggetti che si allontanano sono spostate verso lunghezze d’onda più lunghe; per esempio, la luce emessa quando l’universo era la metà di quello attuale raddoppierà la sua lunghezza d’onda e diventerà più rossa. Misurando il redshift e la luminosità apparente di un gran numero di supernovae situate a varie distanze, i ricercatori possono creare un record dell’espansione dell’universo.
Purtroppo, le supernovae di tipo Ia sono rare e si verificano in una galassia come la Via Lattea solo una volta ogni pochi secoli in media. La tecnica usata dai cacciatori di supernova è quella di osservare ripetutamente un pezzo di cielo contenente migliaia di galassie e poi confrontare le immagini. Un punto di luce transitorio che appare in un’immagine ma non in una precedente potrebbe essere una supernova. I risultati del 1998 che mostravano la prova dell’accelerazione cosmica erano basati sulle osservazioni di due squadre che guardavano le supernovae esplose quando l’universo era circa due terzi della sua dimensione attuale, circa cinque miliardi di anni fa.
Alcuni scienziati si chiedevano, però, se le squadre avessero interpretato correttamente i dati delle supernovae. Era possibile che un altro effetto oltre all’accelerazione cosmica avrebbe potuto far apparire le supernovae più deboli del previsto? La polvere che riempie lo spazio intergalattico potrebbe anche far apparire le supernovae più fioche. O forse le supernovae antiche sono semplicemente nate più fioche perché la composizione chimica dell’universo era diversa da quella attuale, con una minore abbondanza di elementi pesanti prodotti dalle reazioni nucleari nelle stelle.
Fortunatamente, è disponibile un buon test delle ipotesi concorrenti. Se le supernovae appaiono più deboli del previsto a causa di una causa astrofisica, come uno schermo pervasivo di polvere, o perché le supernovae del passato sono nate più deboli, gli effetti di oscuramento presunti dovrebbero aumentare con il redshift degli oggetti. Ma se l’oscuramento è il risultato di una recente accelerazione cosmica che ha seguito una precedente era di decelerazione, le supernovae del periodo di rallentamento apparirebbero relativamente più luminose. Pertanto, le osservazioni di supernovae che sono esplose quando l’universo era meno di due terzi della sua dimensione attuale potrebbero fornire le prove per dimostrare quale delle ipotesi è corretta. (È possibile, naturalmente, che un fenomeno astrofisico sconosciuto possa corrispondere precisamente agli effetti sia dell’accelerazione che del rallentamento, ma gli scienziati generalmente disfavoriscono tali spiegazioni sintonizzate artificialmente)
Trovare tali supernovae antiche e lontane è difficile, tuttavia. Una supernova di tipo Ia che è esplosa quando l’universo era la metà di quello attuale è circa un decimiliardesimo della luminosità di Sirio, la stella più luminosa del cielo. I telescopi a terra non possono rilevare gli oggetti in modo affidabile, ma il telescopio spaziale Hubble sì. Nel 2001 uno di noi (Riess) ha annunciato che il telescopio spaziale aveva serendipitosamente immaginato una supernova di tipo Ia estremamente distante (soprannominata SN 1997ff) in osservazioni ripetute. Dato il redshift della luce di questa esplosione stellare – avvenuta circa 10 miliardi di anni fa, quando l’universo era un terzo delle sue dimensioni attuali – l’oggetto è apparso molto più luminoso di quanto sarebbe stato se l’ipotesi dell’universo polveroso fosse vera. Questo risultato fu la prima prova diretta dell’epoca di decelerazione. Noi due abbiamo proposto che l’osservazione di più supernovae ad alto livello potesse fornire la prova definitiva e stabilire la transizione dal rallentamento all’accelerazione.
L’Advanced Camera for Surveys, un nuovo strumento di imaging installato sul telescopio spaziale nel 2002, ha permesso agli scienziati di trasformare Hubble in una macchina a caccia di supernova. Riess ha guidato uno sforzo per scoprire il campione necessario di supernovae di tipo Ia molto distanti, appoggiandosi al Great Observatories Origins Deep Survey. Il team ha trovato sei supernovae che sono esplose quando l’universo era meno della metà della sua dimensione attuale (più di sette miliardi di anni fa); insieme alla SN 1997ff, queste sono le supernovae di tipo Ia più lontane mai scoperte. Le osservazioni hanno confermato l’esistenza di un primo periodo di rallentamento e hanno collocato il “punto di costa” di transizione tra rallentamento e accelerazione a circa cinque miliardi di anni fa. Questa scoperta è coerente con le aspettative teoriche ed è quindi rassicurante per i cosmologi. L’accelerazione cosmica è stata una sorpresa e un nuovo rompicapo da risolvere, ma non è così sorprendente da farci ripensare a gran parte di ciò che pensavamo di aver capito dell’universo.
Il nostro destino cosmico
Le antiche supernove hanno anche fornito nuovi indizi sull’energia oscura, la causa sottostante all’accelerazione cosmica. Il candidato principale per spiegare gli effetti dell’energia oscura è l’energia del vuoto, che è matematicamente equivalente alla costante cosmologica inventata da Einstein nel 1917. Poiché Einstein pensava di dover modellare un universo statico, introdusse il suo “fattore di correzione cosmologica” per bilanciare la gravità attrattiva della materia. In questa ricetta, la densità della costante era la metà di quella della materia. Ma per produrre l’accelerazione osservata dell’universo, la densità della costante dovrebbe essere il doppio di quella della materia. Da dove potrebbe venire questa densità di energia? Il principio di indeterminazione della meccanica quantistica richiede che il vuoto sia pieno di particelle che vivono con tempo ed energia presi in prestito, entrando ed uscendo dall’esistenza. Ma quando i teorici cercano di calcolare la densità di energia associata al vuoto quantistico, ottengono valori che sono almeno 55 ordini di grandezza troppo grandi. Se la densità di energia del vuoto fosse davvero così alta, tutta la materia dell’universo volerebbe istantaneamente a pezzi e le galassie non si sarebbero mai formate.
Questa discrepanza è stata definita il peggior imbarazzo di tutta la fisica teorica, ma in realtà potrebbe essere il segno di una grande opportunità. Anche se è possibile che i nuovi tentativi di stimare la densità di energia del vuoto possano dare la giusta quantità per spiegare l’accelerazione cosmica, molti teorici credono che un calcolo corretto, che incorpori un nuovo principio di simmetria, porterà alla conclusione che l’energia associata al vuoto quantistico è zero. (Anche il nulla quantistico non pesa nulla!) Se questo è vero, qualcos’altro deve causare l’espansione dell’universo per accelerare.
I teorici hanno proposto una varietà di idee, che vanno dall’influenza di dimensioni extra, nascoste, all’energia associata a un nuovo campo della natura, a volte chiamato quintessenza. In generale, queste ipotesi postulano una densità di energia oscura che non è costante e che di solito diminuisce man mano che l’universo si espande. (Ma è stata anche avanzata l’ipotesi che la densità di energia oscura stia effettivamente aumentando man mano che l’universo si espande). Forse l’idea più radicale è che non c’è affatto energia oscura, ma piuttosto che la teoria della gravità di Einstein deve essere modificata.
Perché il modo in cui la densità di energia oscura varia dipende dal modello teorico, ogni teoria prevede un tempo diverso per il punto di transizione in cui l’espansione dell’universo è passata dal rallentamento all’accelerazione. Se la densità di energia oscura diminuisce man mano che l’universo si espande, allora il punto di transizione avviene prima nel tempo rispetto a un modello che assume una densità di energia oscura costante. Anche i modelli teorici in cui la gravità è modificata portano a una firma discernibile nel tempo di commutazione. Gli ultimi risultati delle supernove sono coerenti con le teorie che ipotizzano una densità di energia oscura costante, ma sono anche d’accordo con la maggior parte dei modelli che assumono una densità di energia oscura variabile. Solo le teorie che prevedono grandi variazioni nella densità dell’energia oscura sono state escluse.
Per restringere la gamma di possibilità teoriche, il telescopio spaziale Hubble sta continuando a raccogliere dati sulle supernova che potrebbero definire i dettagli della fase di transizione. Anche se il telescopio spaziale rimane l’unico mezzo per sondare la storia iniziale dell’espansione cosmica, più di una mezza dozzina di programmi a terra stanno cercando di migliorare la precisione della misura della recente accelerazione cosmica abbastanza da rivelare la fisica dell’energia oscura. Il progetto più ambizioso è il Joint Dark Energy Mission (JDEM) proposto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla NASA. JDEM è un telescopio spaziale di due metri ad ampio campo dedicato alla scoperta e alla misurazione accurata di migliaia di supernovae di tipo Ia. I cacciatori di supernova sperano di vedere JDEM lanciato all’inizio del prossimo decennio; fino ad allora, dovranno fare affidamento sul telescopio Hubble per rilevare le esplosioni stellari più lontane.
Solvere il mistero dell’accelerazione cosmica rivelerà il destino del nostro universo. Se la densità dell’energia oscura è costante o aumenta con il tempo, tra 100 miliardi di anni circa tutte le galassie, tranne qualche centinaio, saranno troppo spostate verso il rosso per essere viste. Ma se la densità di energia oscura diminuisce e la materia diventa di nuovo dominante, il nostro orizzonte cosmico crescerà, rivelando più universo. Futuri ancora più estremi (e letali) sono possibili. Se la densità dell’energia oscura aumenta invece di diminuire, l’universo alla fine subirà una “ipervelocità” che farà a pezzi galassie, sistemi solari, pianeti e nuclei atomici, in quest’ordine. Oppure l’universo potrebbe addirittura ricollassare se la densità di energia oscura scendesse ad un valore negativo. L’unico modo per prevedere il nostro futuro cosmico è capire la natura dell’energia oscura.