L'energia oscura

L'energia oscura è un'ipotetica forma di energia non direttamente rilevabile, diffusa nello spazio.
Si stima che l'energia oscura rappresenti circa il 68% della massa energia totale dell'universo, e in particolare di quella che sfugge attualmente ai metodi di rilevazione, che assomma a circa il 95%. Inoltre, essendo caratterizzata da una pressione negativa, l'energia oscura è il modo più diffuso fra i cosmologi per spiegare l'espansione accelerata dell'universo. Essa costituisce pertanto un'importante componente del modello standard della cosmologia basato sul Big Bang.

Generalità
Le due principali forme proposte di energia oscura sono la costante cosmologica e la quintessenza.
La costante cosmologica è una densità d'energia costante che riempie omogeneamente lo spazio e fisicamente equivalente all'energia del vuoto. L'aggiunta di una costante cosmologica nella teoria di base della cosmologia (vedi Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker) ha portato all'adozione del modello chiamato Lambda-CDM, che è in accordo con le osservazioni.
La quintessenza è un campo dinamico la cui densità d'energia varia nello spazio e nel tempo.
La distinzione fra le due possibilità richiede misure accurate dell'espansione dell'universo per comprendere come la velocità d'espansione cambi nel tempo. Il coefficiente d'espansione è parametrizzato dall'equazione di stato, il cui calcolo è uno degli sforzi più grandi della cosmologia d'osservazione.

Tuttavia alcuni modelli di gravità quantistica, tra cui la gravitazione quantistica a loop, possono spiegare le proprietà cosmologiche senza avvalersi dell'energia oscura.
Il termine "energia oscura" fu coniato da Michael Turner.

Storia
Albert Einstein, vissuto in un'epoca dominata dal concetto di universo stazionario, per contrastare gli effetti della "nuova" gravità da lui stesso delineata, che portava a un universo dinamico (o in contrazione o in espansione), soprattutto per evitare l'idea di un collasso gravitazionale inserì nelle equazioni di campo della relatività generale la famosa costante cosmologica, simile qualitativamente a una forza antigravitazionale su larga scala. Quando nel 1929 Edwin Hubble scoprì che l'universo era in espansione Einstein ritrattò la sua idea, definendola "il mio più grande errore".
Con lo sviluppo della teoria quantistica della materia tra gli anni venti e trenta del Novecento, si evidenziò che anche il vuoto possiede una sua energia, ben definita e determinata dalle coppie di particelle e antiparticelle che si formano e si annichilano continuamente.

Nel 1967 fu rilevato l'effetto Sachs-Wolfe, consistente in uno spostamento verso il blu della radiazione cosmica di fondo quando attraversa i forti campi gravitazionali generati da grandi ammassi di materia; tale guadagno di energia sarebbe un segno diretto dell'esistenza di un'energia oscura.
Quando negli anni novanta fu accertata l'accelerazione dell'espansione dell'universo (l'annuncio che i dati confermavano un universo in accelerazione fu dato da Saul Perlmutter del Berkeley Lab l'8 gennaio 1998; il lavoro ottenne il Premio Nobel per la fisica nel 2011), l'ipotesi dell'energia oscura si rafforzò, per giustificare l'esistenza di una forza antigravitazionale presente in tutto l'universo, che spiegherebbe l'espansione accelerata e che potrebbe essere rappresentata dall'energia del vuoto prevista dalla meccanica quantistica. L'errore di Einstein era così in qualche modo ridimensionato: una forma di energia non rilevabile permeerebbe effettivamente lo spazio, ma il suo ipotetico effetto antigravitazionale, anziché rendere l'universo stazionario, al contrario ne accelererebbe l'espansione. Come risultato collaterale dell'espansione accelerata l'età dell'universo risulta inferiore a quanto stimato in precedenza sulla base di una velocità di espansione costante.


Nel 2004 Christian Beck della Queen Mary University di Londra e Michael Mackey della McGill University di Montreal svilupparono una teoria che legava le fluttuazioni del vuoto all'energia oscura e ipotizzarono la misurazione sperimentale dell'energia oscura tramite la giunzione Josephson.
L'esistenza di un'energia oscura, in qualsiasi forma, risolve anche il problema della "massa mancante", intesa non come massa in senso stretto (materia oscura), ma come massa-energia. La teoria della nucleosintesi primordiale regola la formazione degli elementi leggeri nell'universo primordiale, come l'elio, il deuterio ed il litio. La teoria della struttura a grande scala dell'Universo regola la formazione della struttura dell'universo, stelle, quasar, galassie e gruppi e ammassi di galassie. Entrambe le teorie suggeriscono che la densità d'energia di tutta la materia ipotizzabile nell'universo, costituita dai barioni e dalla materia oscura fredda, sia circa il 30% di quella necessaria per rendere la curvatura dell'universo nulla. Poiché misurazioni della radiazione cosmica di fondo effettuate dal satellite WMAP, lanciato nel 2001, indicavano che l'universo è molto vicino ad una curvatura nulla, è possibile concludere che una quota di energia non visibile, "oscura" appunto, deve costituire il restante 70% circa.
Un lavoro pubblicato nel 2012 da studiosi della università di Portsmouth e della LMU di Monaco, basato sulla sovrapposizione di mappe di regioni dell'universo con quelle della radiazione di fondo, ha migliorato la veridicità rispetto a precedenti analoghi studi di conferma dell'effetto Sachs-Wolfe, sostenendo una probabilità dell'esistenza di un'energia oscura del 99,9996% (lo stesso valore di 5 sigma raggiunto dalla scoperta del bosone di Higgs).

Prove dell'accelerazione dell'Universo
Verso la fine degli anni novanta, osservazioni di supernovae di tipo Ia suggerirono che l'espansione dell'universo fosse in accelerazione. Queste osservazioni sono state confermate da molte altre fonti indipendenti: la radiazione cosmica di fondo, l'età dell'universo, le abbondanze degli elementi dovute alla nucleosintesi primordiale, la struttura a grande scala dell'Universo e le misurazioni del parametro di Hubble, come pure analisi accurate di supernovae. Tutti questi elementi confermano il modello Lambda-CDM.
Le supernovae di tipo Ia offrono la miglior prova per l'esistenza dell'energia oscura. La misura della velocità dell'allontanamento di oggetti è semplicemente ottenuta misurando lo spostamento verso il rosso (redshift) dell'oggetto, ma calcolarne invece la distanza è un problema più complesso: è necessario trovare candele standard, oggetti la cui magnitudine assoluta sia nota, in modo tale da rapportare la magnitudine apparente alla distanza. Senza candele standard è impossibile misurare la relazione della legge di Hubble tra distanza e spostamento verso il rosso. Le supernovae di tipo Ia sono le migliori candele standard, in quanto sono molto luminose e bruciano solo quando la massa di una vecchia nana bianca raggiunge il limite di Chandrasekhar. Le distanze delle supernovae sono quindi messe in relazione alle loro velocità; il metodo è usato anche per determinare la storia dell'espansione dell'universo. Tali osservazioni indicano che l'universo non sta rallentando, cosa che ci si aspetterebbe in un universo dominato da materia, ma sta misteriosamente accelerando. I dati delle osservazioni sono dunque spiegati postulando un tipo di energia con pressione negativa (v. l'equazione di stato in cosmologia per una spiegazione matematica), chiamata energia oscura.

Natura dell'energia oscura
L'esatta natura dell'energia oscura è tuttora oggetto di ricerca. Possiede omogeneità e non è molto densa; non interagisce fortemente con alcuna delle forze fondamentali, eccetto la gravità. Dal momento che non è molto densa (circa 10−29 g/cm3) è improbabile immaginare esperimenti per trovarla in laboratorio. L'energia oscura può tuttavia avere un forte impatto sull'universo, costituendo, come detto, il 70% di tutta l'energia e colmando uniformemente lo spazio vuoto. I due modelli più importanti sono la costante cosmologica e la quintessenza.

Costante cosmologica o energia del vuoto
La spiegazione dell'energia oscura più semplice e più condivisafra fisici e cosmologi, è che essa sia "il prezzo di avere spazio": ovvero un volume di spazio possiede un'energia intrinseca e fondamentale, chiamata energia del vuoto e rappresenta la densità di energia del vuoto fisico. La maggior parte delle teorie della fisica delle particelle predice infatti fluttuazioni del vuoto che gli conferirebbero precisamente detto tipo di energia. Dal momento che energia e massa sono unite dalla formula E=mc², in base alla teoria della relatività generale l'energia del vuoto produrrà effetti gravitazionali assumendo il ruolo di costante cosmologica, indicata con la lettera greca Lambda (da cui il modello Lambda-CDM o modello standard della cosmologia). Essa è stimata dell'ordine di circa 10−29 g/cm3 o di 10−123 in unità di Planck.
La costante cosmologica ha una pressione negativa equivalente alla densità della sua energia e questo determina l'accelerazione dell'espansione dell'universo. La ragione per cui la costante ha tale valore di pressione può essere individuata nella termodinamica classica. Il lavoro prodotto da un cambiamento di volume dV è uguale a −p dV, dove p è la pressione. Ma la quantità di energia in un contenitore di energia vuota in realtà aumenta quando il volume aumenta (e quindi dV è positivo), in quanto l'energia è uguale a ρV, dove ρ è la densità dell'energia della costante cosmologica. Quindi p è negativo ed infatti p = −ρ.
Uno dei più grandi problemi irrisolti della fisica è che la maggior parte delle teorie quantistiche dei campi prevedono un valore molto elevato per la costante dell'energia del vuoto quantico, fino a 123 ordini di grandezza rispetto alla costante cosmologica stimata come energia oscura. Ciò significherebbe che gran parte di tale energia dovrebbe essere annullata da una uguale e di segno opposto. In alternativa alcune teorie supersimmetriche richiedono che la costante cosmologica sia esattamente zero. Dati così discordanti costituiscono il problema della costante cosmologica, uno dei più importanti problemi di misura in fisica: non v'è un modo naturale conosciuto per ricavare, sia pure approssimativamente, la costante cosmologica infinitesimale osservata in fisica delle particelle.
Nonostante questi problemi, la costante cosmologica è per molti aspetti la soluzione più "economica" al problema dell'accelerazione cosmica e il Modello standard della cosmologia attuale la include come una caratteristica essenziale.

Quintessenza
In alternativa l'energia oscura potrebbe derivare dall'eccitazione di particelle in alcuni tipi di campi scalari dinamici (previsti dal modello standard e dalla teoria delle stringhe), chiamata quintessenza. Questa differisce dalla costante cosmologica soprattutto perché può variare nello spazio e nel tempo. Affinché non formi strutture materiali deve essere molto leggera, così da avere una lunghezza d'onda di Compton molto grande.
Non vi sono prove dell'esistenza della quintessenza, ma l'ipotesi non può essere eliminata a priori. Generalmente prevede un'accelerazione minore dell'espansione dell'universo rispetto alla costante cosmologica. Alcuni ritengono che la miglior prova indiretta della quintessenza derivi dalla violazione del principio di equivalenza di Einstein e dalle variazioni delle costanti fondamentali nello spazio e nel tempo.
Il problema della coincidenza cosmica chiede perché l'energia oscura si sia manifestata proprio nel momento particolare stimato. Se, ad esempio, fosse iniziata in un tempo precedente non avrebbero avuto il tempo di formare strutture quali le galassie e in definitiva non si sarebbe potuta evolvere una vita intelligente: i sostenitori del principio antropico vedono ciò come una importante prova della loro tesi. Molti modelli di quintessenza presentano un comportamento tale da risolvere il problema, in quanto il loro campo ha una densità che evolve fino a che materia e radiazione si equivalgono, permettendo alla quintessenza di iniziare a comportarsi come energia oscura ed infine a dominare l'universo, oltre ad impostarne la bassa scala d'energia.
Alcuni casi particolari di quintessenza sono l'energia fantasma, dove la densità dell'energia della quintessenza cresce con il tempo, e l'essenza-k (quintessenza cinetica), che possiede una forma non standard di energia cinetica. Queste possono avere proprietà inusuali: l'energia fantasma ad esempio può causare il Big Rip.

Radiazione gravitazionale
Il fisico e matematico Roger Penrose afferma invece che l'energia oscura non esiste e non serve a spiegare l'universo in accelerazione; l'accelerazione si spiegherebbe facendo ricorso alla presunta quantità superflua di radiazione gravitazionale che attraverserebbe un eone temporale arrivando ad un altro, secondo la sua teoria detta cosmologia ciclica conforme. Nel modello di Penrose l'universo è costituito da infiniti eoni di spaziotempo. Penrose ha calcolato che una certa quantità di radiazione gravitazionale deve essere preservata attraverso il confine tra eoni, sfuggendo al processo della radiazione di Hawking; suggerisce che questa radiazione gravitazionale supplementare può essere sufficiente a spiegare l'accelerazione cosmica osservata, senza fare ricorso al campo di materia derivato dall'ipotetica enorme quantità di energia oscura.

Altre ipotesi
Alcuni teorici pensano che l'energia oscura e l'accelerazione cosmica siano prova del fallimento della relatività generale su scale superiori a quelle dei superammassi di galassie. Uno dei modelli alternativi sono le teorie MOND (Modified Newton Dynamics = dinamica newtoniana modificata).
Altri teorici ipotizzano invece che l'energia oscura e l'accelerazione cosmica rivelino un fallimento del Modello Standard del Big Bang, poiché costringerebbe ad ammettere la presenza di qualcosa di non ancora esperibile.
Altre idee sull'energia oscura derivano dalla teoria delle stringhe, dalla Brane cosmology e dal principio olografico, ma non si sono ancora dimostrate efficaci come quelle della quintessenza e della costante cosmologica. In analogia con fenomeni osservabili nei liquidi, si dovrebbe ipotizzare che il numero quasi infinito di urti infinitesimi tra un numero quasi infinito di particelle possa produrre una specie di pressione che allarga il pallone del nostro universo. Neil Turok, come altri teorici delle brane e delle stringhe, sostiene che l'energia oscura e la materia oscura possano essere la forza di gravità o forze derivate dall'interazione di un universo parallelo molto vicino ma non visibile.

Secondo il fisico Leonard Susskind, il termine energia oscura è fuorviante, e sarebbe più corretto parlare di pressione positiva di vuoto, ovvero un tipo di vuoto instabile, oscillante su un minimo relativo di potenziale, posto sopra il potenziale zero, e dunque in espansione esponenziale. Esso potrebbe essere stato originato da una fluttuazione quantistica del vuoto ordinario, a pressione zero, statico, uniforme e dove non può succedere nulla. In altre parole sia l'inflazione presente nel modello di il big bang, sia la storia futura dell'universo (il big rip), possono essere spiegati con una Pressione Positiva di Vuoto.

Implicazioni per il destino dell'universo

I cosmologi ipotizzano che l'accelerazione dell'espansione dell'universo sia cominciata circa 5-6 miliardi di anni fa e ritengono che nella fase precedente, seguita al Big bang, l'espansione fosse in decelerazione a causa della forza gravitazionale attrattiva esercitata dalla materia barionica e dalla materia oscura.
Secondo i calcoli la densità della materia in un universo in espansione dovrebbe ridursi più velocemente rispetto all'energia oscura ed infine questa dovrebbe prendere il sopravvento. In particolare, quando il volume dell'universo raddoppia la densità della materia si dimezza, mentre l'energia oscura dovrebbe rimanere quasi invariata (esattamente invariata nel caso della costante cosmologica).
Se l'accelerazione continuasse indefinitamente, il risultato finale sarebbe che le galassie esterne al Superammasso Locale si sposterebbero oltre l'orizzonte cosmico e non sarebbero più visibili perché la loro velocità relativa diverrebbe maggiore della velocità della luce (e non sarebbe una violazione della relatività ristretta poiché l'effetto non potrebbe essere sfruttato per inviare segnali tra le galassie). La Terra, la Via Lattea ed il Superammasso Locale rimarrebbero virtualmente indisturbati, mentre il resto dell'universo si allontanerebbe; in questo scenario il superammasso locale andrebbe incontro alla morte termica, allo stesso modo di un universo piatto e materiale.
Si ipotizzano comunque scenari alternativi. Uno suggerisce che l'energia oscura possa causare un'espansione "divergente", implicando una crescita della sua forza repulsiva fino a dominare tutte le altre forze dell'universo. In tale condizione l'energia oscura distruggerebbe tutte le strutture legate alla gravità, incluse galassie e sistemi solari, ed infine supererebbe le forze elettriche e nucleari distruggendo gli atomi stessi, facendo terminare l'universo con un Big Rip (grande strappo).
Secondo un'altra ipotesi, l'energia oscura potrebbe scomparire con il tempo o addirittura diventare attrattiva, lasciando aperta la possibilità che la gravità possa divenire predominante e portare l'universo a una grande contrazione finale detta Big Crunch. Alcuni modelli, come quello dell'universo oscillante, predicono che a questa contrazione segua una nuova espansione in un susseguirsi ciclico.
Le misurazioni precise dell'accelerazione dell'espansione dell'universo potranno rivelarsi decisive nella determinazione del suo destino ultimo nell'ambito della teoria del Big Bang.

Nella fantascienza
L'energia oscura è spesso menzionata (persino manipolata) nella celebre serie videoludica Half-Life 2: la visione dell'energia oscura esula in parte dalle descrizioni nelle teorie fisiche relative a tale fenomeno: essa sembra essere infatti manipolabile tramite dispositivi tecnologici che spaziano dai fucili ai teletrasportatori ai reattori a fusione. L'energia oscura, pertanto, è presentata come la fonte energetica primaria della forza conquistatrice chiamata Combine. Il Combine usa tale energia per alimentare le proprie fortezze (le Cittadelle, colossali grattacieli alti chilometri), le proprie armi (i fucili d'assalto combine sparano proiettili di energia oscura) ed i propri sistemi di teletrasporto.
L'energia oscura è poi fondamentale nella serie Mass Effect. Nell'universo fittizio della saga campi di energia oscura, generati sottoponendo a una corrente elettrica un altrettanto fittizio elemento zero, sono infatti in grado di ridurre la massa a riposo della materia contenuta al loro interno: l'energia oscura è quindi utilizzata per alleggerire le astronavi, permettendo di raggiungere velocità superiori a quella della luce, per generare gravità artificiale, per accelerare i proiettili delle armi da fuoco e può essere inoltre utilizzata da particolari individui, i biotici, per generare campi di energia oscura capaci di disarmare i nemici.

https://it.wikipedia.org/wiki/Energia_oscura