Che cos'è la materia oscura e l'energia oscura spiegata in modo semplice

L'universo che osserviamo e studiamo attraverso i telescopi e i rilevatori rappresenta solo una minima parte della realtà cosmica. Gli scienziati hanno scoperto che la maggior parte dell'universo è costituita da due componenti misteriose e invisibili: la materia oscura e l'energia oscura. Non possiamo vederle né rilevarle direttamente, ma gli effetti gravitazionali della materia oscura e la sorprendente accelerazione dell'espansione dell'universo causata dall'energia oscura ci indicano la loro esistenza. Questi due concetti, emersi nel XX secolo, hanno profondamente trasformato la nostra comprensione del cosmo, lasciandoci con domande ancora aperte sulla vera natura della realtà che ci circonda. Questa introduzione esplorerà cosa sappiamo finora di materia oscura ed energia oscura, da quando sono state ipotizzate, fino alle implicazioni che queste scoperte hanno avuto sulla cosmologia moderna e il destino

Che cos’è la materia oscura?

La materia oscura è una sostanza misteriosa che costituisce circa il 27% dell'universo. Non emette né riflette luce, quindi è invisibile e non può essere rilevata direttamente con gli strumenti ottici o elettromagnetici tradizionali. Tuttavia, gli scienziati sono riusciti a dedurne l'esistenza osservando il suo effetto gravitazionale sulla materia visibile, come le stelle e le galassie.

Il concetto di materia oscura è stato introdotto per la prima volta negli anni '30 dal fisico svizzero Fritz Zwicky, che notò che le galassie nell'ammasso della Chioma si muovevano troppo velocemente rispetto alla quantità di materia visibile presente. Secondo le leggi della fisica, senza una massa aggiuntiva invisibile, queste galassie sarebbero dovute sfuggire dall'ammasso. Questa massa invisibile venne chiamata “materia oscura”.

Le prove successive arrivarono negli anni '70 con gli studi dell'astronoma americana Vera Rubin, che osservò che le stelle nelle galassie spirali ruotavano alla stessa velocità, indipendentemente dalla distanza dal centro galattico. Anche in questo caso, la quantità di materia visibile non poteva spiegare la velocità osservata, suggerendo la presenza di una sostanza invisibile che influenzava il moto stellare.

Le implicazioni della materia oscura sono enormi. Senza di essa, la struttura dell'universo sarebbe completamente diversa: le galassie non potrebbero formarsi e mantenersi, poiché la forza gravitazionale della materia visibile da sola non sarebbe sufficiente a legare insieme la materia. Tuttavia, ancora oggi non sappiamo esattamente di cosa sia composta la materia oscura. Una delle teorie principali è che possa essere costituita da particelle subatomiche chiamate WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), che interagiscono molto debolmente con la materia normale. Altre teorie suggeriscono che potrebbe essere composta da assioni o neutrini sterili.

Che cos’è l’energia oscura?

Mentre la materia oscura si riferisce alla massa mancante nell'universo, l'energia oscura rappresenta qualcosa di ancora più sconcertante: una forza sconosciuta che sembra permeare tutto lo spazio e accelerare l'espansione dell'universo. Si stima che l'energia oscura costituisca circa il 68% dell'universo, rendendola di gran lunga la componente più abbondante.

Il concetto di energia oscura è emerso negli anni '90, quando due gruppi di astronomi, osservando supernove di tipo Ia (esplosioni di stelle), scoprirono che l'universo non solo si stava espandendo, ma che questa espansione stava accelerando. Prima di questa scoperta, si pensava che la gravità avrebbe eventualmente rallentato l'espansione dell'universo e che, in futuro, l'universo avrebbe potuto persino contrarsi. Tuttavia, l'accelerazione osservata ha richiesto l'introduzione di una nuova forza sconosciuta: l'energia oscura.

L'idea di un'energia che permea lo spazio vuoto non è completamente nuova. Già nel 1917, Albert Einstein aveva introdotto una costante cosmologica nelle sue equazioni della relatività generale per mantenere un universo statico (poiché all'epoca si credeva che l'universo fosse immobile). Quando, però, si scoprì che l'universo era in espansione, Einstein abbandonò la costante, definendola uno dei suoi “più grandi errori”. Ironia della sorte, la moderna scoperta dell'espansione accelerata sembra richiedere una forma di energia simile alla costante cosmologica che Einstein aveva ipotizzato.

Ma cos'è esattamente l'energia oscura? Anche se non abbiamo una comprensione chiara, una delle spiegazioni più accettate è che essa rappresenti una proprietà intrinseca dello spazio stesso. Secondo questa teoria, man mano che l'universo si espande, più spazio viene creato, e con esso viene generata più energia oscura, alimentando ulteriormente l'espansione. Altre teorie suggeriscono che potrebbe essere una forma di campo quantistico, simile a quello che potrebbe aver causato l'inflazione cosmica subito dopo il Big Bang.

Implicazioni della materia oscura e dell’energia oscura

La scoperta della materia oscura e dell'energia oscura ha trasformato radicalmente la nostra comprensione dell'universo. Innanzitutto, ha rivelato che tutto ciò che possiamo vedere e rilevare — stelle, pianeti, galassie e gas interstellari — costituisce solo una piccola frazione dell'universo, circa il 5%. Il resto è costituito da queste misteriose componenti oscure, di cui sappiamo ancora molto poco.

Dal punto di vista cosmologico, l'energia oscura ha implicazioni fondamentali per il destino dell'universo. Se la sua azione continuerà, l'universo potrebbe espandersi indefinitamente, con le galassie che si allontanano sempre più l'una dall'altra, fino a quando non sarà impossibile per la luce viaggiare tra di loro. Questo scenario è noto come Big Freeze o “morte termica” dell'universo.

D'altra parte, la materia oscura è essenziale per la formazione delle strutture cosmiche. Senza la sua influenza gravitazionale, le galassie non si sarebbero mai formate, e di conseguenza, anche le stelle, i pianeti e la vita come la conosciamo non sarebbero esistiti. Comprendere la materia oscura è quindi cruciale per capire come si è evoluto l'universo.