Energia oscura, slogan pubblicitario o realtà?

Giovani stelle viste dal telescopio Hubble, con cui è stato provato che l’universo è in espansione. (Nasa/flickr, Cc By-SA)

Di Fabien Besnard*

Un recente articolo apparso su Nature, ha provocato un certo scompiglio tra gli appassionati di cosmologia: sembra che l’energia oscura sia dinamica. Di cosa si tratta e che cosa significa?

Da una ricerca su arXiv.org, sito su cui gli studiosi editano le pre-pubblicazioni, è emerso che, solo quest’anno, gli articoli sull’energia oscura sono stati più di duecento. Anche ha solo una ventina d’anni, si tratta quindi di un vero e proprio settore di studio che mobilita centinaia di ricercatori.

Secondo la definizione più comune, l’energia nera è un particolare tipo di energi, ripartita uniformemente nell’universo, che possiede la proprietà paradossale di esercitare una pressione negativa. Sarebbe responsabile dell’accelerazione e dell’espansione dell’universo, e la sua esistenza sarebbe dimostrata quindi da questo fenomeno; costituirebbe inoltre circa il 68 percento di tutta l’energia dell’universo.

Tuttavia, non la si può considerare un’energia alternativa ai combustibili fossili: è impossibile ottenerla in laboratorio e la sua presenza non è rilevabile ai nostri livelli. Ma la sua percentuale è prevalente in quanto presente in tutto l’universo, contrariamente all’energia ‘classica’.

EINSTEIN LO SAPEVA?

Come spesso succede, il metodo storico è illuminante. La cosmologia moderna si fonda sulla teoria della relatività, elaborata da Einstein nel 1916: l’equazione originaria può essere scritta simbolicamente sotto forma di ‘Curvatura = Materia’. Il fattore di sinistra rappresenta la curva dello spazio-tempo, e quello di destra il contenuto dell’universo in energia/materia (queste ultime sono equivalenti, secondo la nota formula E=mc²).

Einstein sapeva che era possibile aggiungere una costante all’elemento di sinistra, e scrivere l’equazione: Curvatura + Costante = Materia. La costante indeterminata però rischiava di nuocere alla bellezza delle sue equazioni, e in un primo momento pensava che fosse nulla. Le sue formule si applicano in particolare al sistema solare, con una precisione superiore a quella di Newton, e prevedono l’esistenza dei buchi neri e delle onde gravitazionali (osservate solo di recente).

Tutte queste applicazioni sono compatibili con un valore nullo della costante. Ma le equazioni di Einstein si applicano a tutto l’universo, cioè consentono di costruire dei modelli cosmologici. Per ragioni essenzialmente filosofiche, lo scienziato considerava l’universo eterno e immutabile:  provava quindi a costruire un modello statico, ma solo per poi rendersi conto (con stupore) che con le sue equazioni il modello non stava in piedi.


I fisici non sono ancora d’accordo sulla presenza di un termine cosmologico nelle equazioni di Einstein. (foto pubblica di Albert Einstein/Flickr,Cc By)

In altri termini: senza una costante, l’universo o si sta espandendo o si sta contraendo. D’altro canto, un valore diverso da zero della costante, prevede un universo statico. A questo fine, Einstein nel 1917 reintroduce la famosa costante, nota da allora come ‘costante cosmologica’.
Ma il modello così costruito è instabile, e non è quindi fisicamente realistico. Peggio ancora: Hubble nel 1929 osserva che l’universo è in espansione.

Se Einstein non avesse reintrodotto la costante cosmologica, avrebbe potuto, sulla base delle sue equazioni originarie, anticipare che l’universo non era statico, cosa che a quel tempo sarebbe stata accolta come la migliore conferma delle sue teorie. È quello che il grande scienziato definì «il più grande errore della mia vita».

Occorre ricordare, tuttavia, che non ci sono a priori ragioni scientifiche perché la costante cosmologica sia nulla. E anche in sua presenza, realisticamente, l’universo non può essere statico. Se si eliminano tutte le considerazioni estetiche, le equazioni di Einstein si possono scrivere in questo modo: Curvatura + Costante Cosmologica = Materia.

LA PEGGIORE PREVISIONE DELLA STORIA

Tutto quello che si può dire, è che le osservazioni sul modello del sistema solare dimostrano che il valore della costante è basso. Si può anche mostrare che tale costante produce, secondo il suo segno, un’accelerazione o un rallentamento dell’espansione cosmica. Infine, si potrebbe tentare di spostare la costante dall’altra parte del segno ‘uguale’, per identificarla con una forma di energia o di materia. Si vedrebbe allora che questa energia esercita una pressione negativa, e si potrebbe concludere freddamente che la costante cosmologica non si identifica con una forma di energia. Ma questo significa non tenere conto della teoria quantistica dei campi.

Secondo questa teoria, il vuoto ha una forma di energia di pressione negativa, si può tentare allora di identificare la costante cosmologica con l’energia del vuoto, ma stando ai calcoli, l’effetto gravitazionale dell’energia sul vuoto, ammesso che questo esista, è maggiore di 123 volte. Alcuni l’hanno definita la peggiore previsione di tutta la fisica. Le cose cambiarono nel 1998, quando si sono avute le prove che non solo l’universo è in espansione, ma che è anche un’espansione accelerata.

La conclusione più semplice è stata che le equazioni di Einstein, pur con un valore basso della costante, fossero valide. Si è immaginato allora che per spiegare l’accelerazione dell’espansione, la si poteva riscrivere con la formula: Curvatura = Materia + Energia nera.

FISICA E MARKETING

Il valore pubblicitario dell’operazione è evidente, considerato il suo successo (insieme a quello dei buchi neri, del big bang o della materia nera). I sostenitori di questa riformulazione ritengono che non sia da escludere l’esistenza di una forma di energia esterna, ed che sia la vera responsabile dell’accelerazione.

Il termine ‘Energia oscura’ è quindi percepito come più generale della costante cosmologica, essendo questa identificata, per una curiosa inversione, con una forma particolare di energia oscura.
Di certo, niente si può escludere. E anche se un giorno si scoprirà una forma di energia esterna, non darà motivo di annullare la costante cosmologica del 1916.

Si dovrà invece riscrivere l’equazione come Curvatura + Costante cosmologica = Materia + Energia esterna. Procedendo in questo modo, onestà vorrebbe che si riconoscessero tutte le considerazioni fino al 2017 compatibili con un valore nullo del termine ‘esotico’. Ovviamente, questo obbligherebbe a eliminare l’espressione ‘energia oscura’ dai titoli, per sostituirla con una meno spendibile ‘cosmologia costante’.

UNA COSTANTE VARIABILE?

Ho scritto ‘fino al 2017’ in seguito all’articolo di Nature citato all’inizio, che parlava di energia ‘dinamica’, (cioè la cui intensità varia nel tempo). Poiché la natura di una costante è appunto quella di non variare, se si scoprisse una forma dinamica di energia oscura, si potrebbe concludere cha la costante cosmologica non è responsabile solo dell’accelerazione e dell’espansione, ma anche che il termine esterno non è nullo.

Altri autori però non sono d’accordo. Per loro è sufficiente constatare che tra il modello cosmologico standard e i dati più recenti esistono ‘tensioni’, e che sono attenuate, se si accetta una variazione nel tempo dell’intensità di energia oscura, il che non sorprende, in quanto equivale a complicare il modello.

 

Traduzione di Francesca Saba

Articolo in francese: L’énergie noire, slogan publicitaire ou réalité ?

 

*Fabien Besnard, è professore e ricercatore all’EPF – UGEI.

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