accelerating expansion
of the Universe through
observations of distant
supernovae”
Nel corso degli anni diverse volte il Premio Nobel per la Fisica ha premiato attività di tipo astrofisico, ma in ben tre casi nell’ultimo trentennio il premio è andato a osservazioni di carattere cosmologico.
Nel 1978 Arno Penzias e Robert Wilson furono premiati per la scoperta fortuita, ma fondamentale, della radiazione fossile a 3K che segnò il decollo definitivo del modello del Big Bang e l’abbandono di modelli estremamente interessanti, ma in contrasto con l’esistenza della radiazione fossile, come il modello dell’Universo Stazionario.
Nel 2006 il premio andò a George F. Smoot e John C. Mather per le osservazioni che confermarono l’origine termica e le proprietà fondamentali della radiazione scoperta da Penzias e Wilson.
Ora nel 2011 il premio va a Saul Perlmutter (1) [Immagine a destra], Brian. P. Schmidt (2) [Immagine che segue a sinistra] e Adam G. Riess (3) [Immagine che segue a destra] per la scoperta della «riaccelerazione» dell’Universo, scoperta che segna l’avvio di nuovi modelli dell’Universo più evoluti dell’ormai classico Big Bang, ma comunque da esso derivati, tra cui quello che oggi sembra andare per la maggiore, il cosiddetto lambda-CDM o modello delle concordanze.
La = Lo/4pR2. Misurando La e assumendo Lo, dopo aver introdotto le opportune correzioni relativistiche, si ricava R.
Grazie alle attuali conoscenze di Fisica Nucleare e dei meccanismi che controllano l’equilibrio tra radiazione e materia in una stella, i fisici sanno calcolare Lo, ma il risultato dipende dalla massa, dalla composizione della materia che forma la stella e dall’eventuale legame con altri oggetti della stella che, giunta alla fine della sua vita, dà origine alla supernova.
Esistono quindi diversi tipi di supernovae, differenti per luminosità, spettro della radiazione elettromagnetica emessa e dipendenza dal tempo del raggiungimento del massimo di emissione e del successivo decadimento. Tra queste le più luminose e ripetibili sono risultate le cosiddette supernovae di tipo 1a. Gran parte del lavoro dei vincitori del premio Nobel 2011 è consistito nell’individuare in cielo il maggior numero possibile di questo tipo di supernovae, di confrontare le loro proprietà con le previsioni dei modelli creati dai fisici in modo da poterne assumere, con un ragionevole margine di sicurezza, la luminosità assoluta Lo e quindi ricavare la distanza della supernovae esaminate.
Distanza che di fatto viene attribuita anche alla galassia di cui la supernova osservata fa parte. Ma la distanza degli oggetti extragalattici si ricava anche dalla legge di Hubble che lega, attraverso una costante, la costante Ho di Hubble, oggi ben misurata, lo spostamento verso il rosso, Z = ??/? della lunghezza d’onda ? delle righe di radiazione presenti negli spettri degli oggetti extragalattici alla distanza degli oggetti stessi (lo spostamento Z verso il rosso è attribuibile, per un processo simile all’effetto Doppler, a una velocità di allontanamento della galassia dalla Terra).
Il fatto sorprendente è che, confrontando le distanze misurate con le supernovae di tipo 1a e con la legge di Hubble, si constata che per Z > 0,1 si osservano discrepanze che crescono al crescere di Z. Questo implica che dopo il Big Bang verificatosi 13,4 miliardi di anni fa, e l’osservato progressivo rallentamento dell’espansione dell’Universo, sta emergendo una graduale «riaccelerazione» dell’Universo che diventa tanto più evidente quanto più ci si allontana nel tempo dal momento dall’esplosione iniziale.
Perlmutter, Schmidt e Riess hanno compiuto un enorme sforzo osservativo, protrattosi per oltre dieci anni, reso possibile dagli attuali telescopi ottici a Terra e nello spazio, e dall’uso di sofisticatissimi metodi di analisi statistica dei dati, fino a rendere questa riaccelerazione un fatto assodato, cioè di ampiezza misurata, superiore alle incertezze statistiche che accompagnano qualunque misura.
Tutto ciò ha dato il via alla ricerca delle cause di questa riaccelerazione: si è così introdotta, dopo la materia oscura, l’energia oscura dove l’aggettivo «oscura» sta essenzialmente per «di origine sconosciuta». Ma questa energia oscura va spiegata, eventualmente ipotizzando nuove forze fondamentali oltre a quelle fin qui note ai fisici (gravitazionali, elettromagnetiche, nucleari, forti e deboli). Ma sono state avanzate anche ipotesi meno drastiche, come quelle che cercano di produrre gli stessi effetti che dovrebbero essere prodotti dall’energia oscura a deviazioni da una distribuzione uniforme della materia nell’Universo. Per non parlare di stringhe, eccetera. Non ci sono limiti alla fantasia dei teorici.
Per fortuna la Fisica e le Scienze Naturali hanno messo a punto un metodo per sbrogliare la matassa delle diverse ipotesi avanzate o avanzabili e tra queste quelle proposte per spiegare la riaccelerazione dell’Universo dopo la decelerazione seguita al Big Bang . Per essere utile e non limitarsi a una semplice ripetizione di cose già note, qualunque spiegazione deve: contenere come prima approssimazione tutte le osservazioni fin qui ottenute e che hanno portato al modello del Big Bang; essere predittiva, suggerire cioè l’esistenza di effetti non ancora osservati.
Se tali effetti verranno osservati (e qui rientrano in campo gli «osservatori», eventuali futuri premi Nobel) i nuovi processi fisici proposti per spiegare la riaccelerazione dell’Universo acquisteranno un peso scientifico ed entreranno nel giro dei modelli utilizzabili per «fare della Fisica» (almeno fino al momento in cui diventeranno a loro volta approssimazioni di modelli ancora più avanzati). Se invece l’osservazione mostrerà che tali effetti non si verificano in natura, non resterà che porre i meccanismi che li prevedono tra le elucubrazioni della mente umana, magari esteticamente molto belle, ma con il grave limite di non descrivere il mondo naturale.
Perlmutter, Schmidt e Riess hanno segnato con le loro osservazioni un punto di svolta sia per la Cosmologia che per la Fisica, contribuendo tra l’altro alla progressiva migrazione della Cosmologia dal campo della Filosofia, dove era rimasta relegata per migliaia di anni, al campo delle Scienze Naturali.
Giorgio Sironi
(Professore Ordinario di Radioastronomia presso l’Università degli Studi di Milano e Milano-Bicocca)
Note
- Saul Perlmutter nato nel 1959 nell’Illinois, USA, ha condotto le sue ricerche presso il Laurence Berkeley National Laboratory of California. Alle sue spalle un’immagine della supernova 1987a. (Photo: Lawrence Berkeley National Laboratory)
- Brian. P. Schmidt nato nel 1967 nel Montana, USA, ha condotto le sue ricerche presso la Australian University di Weston Creek. L’immagine riportata è stata posta dallo stesso Schmidt in apertura della pagina personale sul sito della Australian National University
- Adam G. Riess nato nel 1969 a Washington DC, USA, ha condotto le sue ricerche presso la Johns Hopkins University di Baltimora. La fotografia è stata scattata all’arrivo al parcheggio dell’università immediatamente dopo l’annuncio del Nobel. (Photo: Will Kirk, Johns Hopkins University Gazette)
© Pubblicato sul n° 43 di Emmeciquadro