Memoria dello Spazio

Nel 1929, dopo quasi dieci anni di osservazioni e calcoli, l’astronomo americano Edwin Hubble enunciò quella famosa legge, nota appunto come legge di Hubble, che stabilisce una relazione diretta fra la distanza di una galassia e la sua velocità di recessione [1]. Detto in parole più semplici, quanto più una galassia è distante, tanto più velocemente si allontana. Assumendo come principio che ciò sia vero per ogni luogo dell’universo, vuol dire che ci troviamo in un universo in espansione: una sorta di gigantesco pallone cosmico che si dilata senza soste, creando sempre nuovo spazio tra le galassie e tra gli ammassi di galassie [2].

Nel 1998, lo High-Z Supernova Search Team, un gruppo di astronomi guidato da Adam Riess, e il Supernova Cosmology Project, un altro gruppo guidato da Saul Perlmutter, pubblicarono indipendentemente i risultati di lunghi studi sulle supernovae di tipo Ia [3], dai quali si ricavava una conclusione sorprendente, ma del tutto in linea con le osservazioni: non solo l’universo si sta espandendo, ma la velocità con la quale si espande sta aumentando, non diminuendo, come fino a quel momento si era creduto.

I cosmologi si trovarono dunque a dover spiegare un fatto del tutto controintuitivo: come poteva essere che la velocità di espansione dell’universo stesse aumentando, se essa derivava dall’impulso originario del Big Bang, ormai molto indebolito dopo miliardi e miliardi di anni? Per uscire dall’impasse, fu necessario postulare l’esistenza di una sorta di antigravità, un’energia del vuoto, che agisce in modo misterioso ma comunque rilevabile, contrastando su larga scala gli effetti della gravità e determinando così un’espansione sempre più veloce dell’universo.

Questa misteriosa energia fu chiamata opportunamente energia oscura e, in base ai calcoli, ad essa si deve attribuire circa il 74% della massa/energia dell’universo. È una quantità enorme, soprattutto considerando che di tale energia oscura si sa veramente poco: deve essere distribuita in modo omogeneo, ha una densità molto bassa (approssimativamente 10⁻²⁹ grammi per centimetro cubico), non interagisce con le forze fondamentali a parte la gravità.

Prevalgono al momento due teorie per spiegare l’energia oscura. La prima richiede l’esistenza di una costante cosmologica, indicata con la lettera greca lambda (Λ), con la quale ci si riferisce alla presunta energia intrinseca dello spazio vuoto, un’energia tale da esercitare una pressione negativa sui contenuti dello spazio, causando così l’accelerazione dell’espansione cosmica. La seconda teoria è quella della quintessenza, termine antico e caro ai filosofi. Questa teoria fa risalire l’espansione accelerata dell’universo alla presenza di campi scalari variabili nel tempo e nello spazio (ecco la differenza con la costante cosmologica).

Vi sono anche altre teorie che offrono ipotesi alternative per spiegare i dati osservativi, per esempio la teoria delle stringhe. Tuttavia la costante cosmologica e la quintessenza sono al momento le più gettonate dai cosmologi, anche se nessuna delle due è pienamente soddisfacente, facilmente verificabile sul campo, esente da punti oscuri e contraddizioni. Il campo di ricerca è comunque senz’altro affascinante e si presta a proposte teoriche innovative, che puntano a rendere conto dell’espansione accelerata dell’universo per mezzo di radicali cambiamenti del punto di vista.

Una di queste proposte è quella avanzata nel 2007 da José Senovilla, Marc Mars e Raül Vera, attivi presso le università di Bilbao e Salamanca in Spagna, in uno studio pubblicato su Physical Review D. Il lavoro, dal titolo poco esplicativo per i profani [4], invita i lettori a un cambio di prospettiva non da poco. Dicono gli autori: è vero, i dati osservativi ci inducono a concludere che l’espansione dell’universo sta accelerando. Ma, se invece di essere l’espansione ad accelerare, fosse invece il tempo che sta rallentando?

La giustificazione teorica dell’idea è fatta risalire dai tre studiosi a una particolare variante della teoria delle superstringhe o, più precisamente, della teoria supersimmetrica delle stringhe [5].

Ovviamente difficile da dimostrare, la proposta di Senovilla e colleghi è però quantomeno intrigante. La loro idea è che l’universo finirà non in modo violento, ma con un progressivo blocco dovuto al fermarsi dello scorrere del tempo, un po’ come un orologio che si scarica o un film che, a poco poco, si blocca su uno dei suoi fotogrammi. Il processo è lentissimo, assolutamente non avvertibile su scale umane; ma diventa invece rilevabile su scale cosmologiche, come sono quelle che interessano le esplosioni di supernova in remote galassie, dallo studio delle quali è stata ricavata l’idea dell’accelerazione dell’espansione dell’universo.

Se è vero che il tempo sta rallentando, allora la debolezza e l’eccessiva distanza delle supernovae di tipo Ia scoperte dai ricercatori in altre galassie non sono più la prova di un universo in espansione sempre più veloce, ma piuttosto il segnale del fatto che il tempo scorreva miliardi di anni fa più velocemente di quanto faccia oggi. In altre parole, siamo portati a interpretare come espansione accelerata il progressivo, sia pur lieve, rallentamento del tempo su scala cosmologica. Spiega a tal proposito il prof. Senovilla:

La conseguenza principale dell’idea del rallentamento del tempo è, dal punto di vista teorico, la scomparsa della necessità di postulare l’esistenza di un’energia oscura. Se l’espansione non sta accelerando, infatti, non occorre più attribuire al vuoto, allo spazio o ai campi scalari un’energia repulsiva in grado di contrastare la gravità.

Un’altra idea interessante è quella proposta da Nikodem J. Popławski, dell’Università dell’Indiana a Bloomington, in uno studio pubblicato il 4 luglio 2010 su arXiv.org [6]. Nella teoria della relatività generale di Einstein, c’è il grosso problema delle singolarità: in luoghi come i buchi neri, dove la materia raggiunge densità infinita, le equazioni della relatività generale non sono più valide, non è chiaro se per un limite della matematica utilizzata o per un limite intrinseco all’universo fisico.

Come che sia, Popławski evita il limite posto dalle singolarità, ricorrendo a una variante della relatività generale, nota come teoria della gravità di Einstein-Cartan-Kibble-Sciama (ECKS). La teoria ECKS, a differenza della relatività generale, tiene conto anche dello spin delle particelle subatomiche, cioè del loro momento angolare. L’introduzione di questo ulteriore fattore rende possibile calcolare una proprietà della geometria dello spazio-tempo chiamata torsione. Quando la densità della materia raggiunge valori astronomici, dell’ordine dei 10⁵⁰ kg per metro cubico, come accade in un buco nero, allora la torsione si manifesta come una forza di segno opposto alla gravità, in grado cioè di generare espansione invece che compressione.

Accade, insomma, qualcosa di analogo a quello che succede quando si comprime una molla. Secondo i calcoli di Popławski, inizialmente la gravità avrebbe la meglio sulla forza repulsiva della torsione, ma questa alla fine prenderebbe il sopravvento, fermando prima la compressione e facendo poi rimbalzare la materia compressa verso l’esterno, con una forza di espansione tale da raggiungere, nel tempo infinitesimale di 10^-46 secondi, dimensioni pari a 1,4 volte le dimensioni minime raggiunte nel punto di massima compressione.

Il punto conclusivo dell’argomentazione è che non vi è nulla, nella teoria ECKS, che vieta di pensare che l’intero universo in cui viviamo si trovi all’interno di un gigantesco buco nero e che la sua espansione nasca dall’effetto-molla prodotto dalla forza di torsione che contrasta e sconfigge l’attrazione gravitazionale all’interno del buco nero/universo.

In ogni caso, la teoria di Popławski, più che una spiegazione alternativa all’energia oscura (la quale può ancora essere presente in un universo contenuto in un buco nero), è una più radicale re-visione delle ragioni dell’espansione stessa dell’universo e, in particolare, di quella rapidissima espansione iniziale che i cosmologi definiscono inflazione [7].

Infine, la teoria di Popławski, benché interessante, non è del tutto nuova. L’idea che interi universi possano essere contenuti nei buchi neri e che ogni buco nero possa dare origine a un nuovo universo è alla base, per esempio, di un libro del 1997 del fisico teorico Lee Smolin, «The Life of the Cosmos» [8], in cui si teorizza una sorta di selezione naturale degli universi, innescata dal collasso gravitazionale della materia nei buchi neri: è la cosiddetta teoria dell’universo fecondo.

In definitiva, l’unica conclusione certa è che, per il momento, non sappiamo. Non sappiamo se esista l’energia oscura; non sappiamo se l’universo stia realmente accelerando la sua espansione o se è il tempo che a poco a poco rallenta; non sappiamo se ci troviamo all’interno di un buco nero cosmico né se effettivamente possano esistere universi nei buchi neri, salvati dal collasso gravitazionale dall’azione di una forza repulsiva come la torsione ipotizzata da Popławski.

Non sappiamo. Ma fisici, astronomi e cosmologi fortunatamente non smettono di indagare i fenomeni, cercare regolarità e formulare nuove ipotesi, perché questa è l’unica strada che abbiamo per conquistare il sapere.

Note

[1] La legge viene espressa solitamente tramite l’equazione v = H₀D, dove D è la distanza di una data galassia e v la sua velocità di recessione. Secondo i calcoli più recenti, il valore di H₀, la cosiddetta costante di Hubble, è di circa 70 km/s per milione di parsec.

[2] Sia pure con eccezioni a livello locale: la Via Lattea e Andromeda, per esempio, si stanno avvicinando.

[3] Le supernovae di tipo Ia sono una sottocategoria di supernovae in cui si ha l’esplosione cataclismatica di una nana bianca. Il fattore che determina l’esplosione è l’aumento di materia nella stella collassata, dovuto a flussi provenienti da una stella compagna in un sistema binario oppure a una fusione con un’altra nana bianca, evento quest’ultimo estremamente raro. Tale tipo di supernova ha una curva di luce che segue un andamento costante e ben studiato. Viene così utilizzato come candela standard, per calcolare la distanza delle galassie in cui si registrano supernovae di questo tipo: essendo nota, infatti, la magnitudine assoluta dell’esplosione, la magnitudine apparente può essere utilizzata per ricavare la distanza alla quale si è verificato l’evento.

[4] «Is the accelerated expansion evidence of a forthcoming change of signature on the brane?», Phys. Rev. D 77, 027501 (2008). Lo studio è liberamente disponibile su arXiv.org.

[5] Si tratta di una cosiddetta teoria del tutto, la cui idea fondamentale - senza addentrarci in particolari troppo complessi - è che tutte le particelle e le forze fondamentali della natura sono riducibili alle vibrazioni di sottilissime stringhe, che esistono attraverso molte più dimensioni (da 10 a 26) di quelle che noi umani siamo in grado di percepire e persino di rappresentarci.

[6] «Cosmology with torsion - an alternative to cosmic inflation», arXiv:1007.0587v1.

[7] Con il termine inflazione, si indica in cosmologia una fase di espansione esponenziale dell’universo, avvenuta nei primissimi istanti successivi al Big Bang. Tale espansione, causata - si ritiene - dall’energia del vuoto, generò una pressione negativa fortissima, in grado di dilatare l’universo neonato in misura tale da superare la barriera della velocità della luce.

[8] Numerose pagine del libro sono leggibili online su Google Books.

Riferimenti