Si è appena concluso a Noorwijk (Olanda) un meeting scientifico dell’Esa (Agenzia Spaziale Europea) per la presentazione e discussione dei risultati cosmologici della missione PLANCK. Tra i partecipanti c’era Malcolm Longair, astrofisico inglese che nei prossimi giorni sarà in Italia, protagonista insieme a Marco Bersanelli dell’incontro “Missione Planck. L’universo come non lo avete mai visto”, organizzato dal Centro Culturale di Milano e dall’associazione Euresis: una serata particolare, dove alle presentazioni scientifiche si alterneranno letture sul tema “Memoria antica. Pensieri e ricordi dal fondo scuro del cielo”, con accompagnamento musicale.
Longair è uno dei più noti astrofisici mondiali: è stato Astronomo Reale di Scozia, direttore del Royal Observatory di Edimburgo e poi del celebre Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge, dove ora dirige il Development Program di astrofisica e dove lo abbiamo raggiunto.
Professor Longair, nella sua conferenza a Milano lei parlerà della “strana storia dell’universo”: quali sono le principali stranezze?
Più che di stranezze, vorrei parlare di un cammino “tortuoso”: il motivo è che in effetti il percorso che ha portato alla attuale comprensione della struttura su larga scala e dell’evoluzione dell’universo non è stato lineare. Molte strade sbagliate sono state imboccate per arrivare a delineare il cosiddetto Modello Standard col quale oggi descriviamo l’evoluzione cosmica: ciò è dipeso dalle incertezze nelle osservazioni o da errate interpretazioni dei modelli teorici. Alcuni esempi sono eloquenti.
Nel 1917 Albert Einstein ritenne che l’universo fosse statico, mentre in realtà è in espansione; nello stesso anno introdusse la “costante cosmologica”, che negli anni ’30 fu utilizzata per giustificare l’età dell’universo quale derivava dalla velocità di espansione calcolata in base ai modelli teorici. Nel 1952 però si è capito che il tasso di espansione era stato stimato erroneamente e così la costante cosmologica non fu più necessaria. Altro esempio: all’inizio si pensava che l’universo fosse costituito tutto della ben nota materia ordinaria (detta barionica): in realtà ora sappiamo che la maggior parte della materia soggetta all’azione della gravità è quella che viene denominata materia oscura (Dark Matter).
Qualcuno ricorda ancora la teoria dello Stato Stazionario, che attirò molta attenzione negli anni ’50…
Sì, ma anch’essa si mostrò presto inconsistente di fronte ai dati delle osservazioni, in particolare quelle che hanno rivelato la radiazione cosmica di fondo a microonde (Cosmic Microwave Background, CMB). Tra l’altro il CMB presentava delle increspature che risultavano molto più piccole di quanto previsto dalle teorie che descrivevano un universo fatto di materia ordinaria.
Per evitare questo problema, nel quadro cosmologico complessivo è stata introdotta la Dark Matter. Due punti di svolta sono stati la misura della relazione tra lo spostamento verso il rosso e la magnitudine delle Supernovae di tipo 1a e lo spettro della radiazione di fondo a microonde: questi hanno mostrato, sorprendentemente, che l’universo è piatto e che qualcosa come la Costante cosmologica deve essere presente per poter tener conto delle osservazioni. Questa immagine standard è stata ora confermata con estrema precisione dalle osservazioni di PLANCK. In altre parole, è stata una storia tortuosa, che ha visto concetti e idee prima rifiutati e poi rilanciati.
Come mai è così difficile capire cosa sono la materia e l’energia oscura?
Sappiamo che entrambe devono essere presenti proprio grazie ai magnifici risultati di PLANCK. La materia oscura è probabilmente più facile da capire della energia oscura. L’ipotesi più semplice è che la Dark Matter sia costituita da una sorta di particelle che interagiscono molto debolmente e che non è stato ancora possibile rivelare con un grande acceleratore come l’LHC del Cern. Potrebbe trattarsi delle più leggere particelle stabili supersimmetriche previste delle teorie della supersimmetria. Potrebbe anche essere rivelata dagli importanti esperimenti in corso, che stanno ottenendo una stupefacente sensibilità; uno di questi si svolge nei laboratori sotto il Gran Sasso. La sensibilità di questi esperimenti è già tale che ci sono buone probabilità di rivelarla con i prossimi miglioramenti tecnici. C’è anche la possibilità che possa essere vista dal rivelatore AMS a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Il problema è, in breve, la piccolissima interazione tra la Dark Matter e il materiale dei rivelatori.
E l’energia oscura?
Per la Dark Energy è più difficile perché può essere rivelata solo alla scala dell’Universo stesso; quindi può essere studiata attraverso le osservazioni astronomiche. I risultati di PLANCK mostrano che può essere ben descritta dalla più semplice forma di equazioni di stato di un campo scalare; ma non è chiaro se questo è il modo corretto di concepirla o se si tratta semplicemente di una costante nelle equazioni del campo gravitazionale. Il progetto EUCLID dell’Esa sarà dedicato a determinarne con precisione le proprietà e a cercare di capire se bisogna introdurre delle modifiche nella teoria della Relatività Generale di Einstein.
Le recenti scoperte ci dicono qualcosa di nuovo circa la geometria e la dinamica dell’universo? In che tipo di universo viviamo: piatto o curvo? accelerato o decelerato?
Le risposte a questi interrogativo sono ormai ben consolidate. Ora sappiamo, con altissima precisione, che l’intera geometria è piatta entro un margine dell’1%: un risultato incredibile. Quanto alla dinamica, è descritta da un modello lambda-CDM (dove lambda è la costante cosmologica e CDM sta per Cold Dark Matter, cioè Materia Oscura Fredda) con i parametri determinati con una precisione mai raggiunta finora. C’è più materia oscura e meno energia oscura del previsto. L’universo adesso sta accelerando ma non così rapidamente come si pensava. L’età dell’universo è leggermente maggiore di quanto ritenuto in precedenza.
Tutte queste affermazioni posso essere sostenute con un notevole grado di confidenza. La cosa più bella di questi primi risultati di PLANCK è che tutti i controlli della qualità dei risultati mostrano che la mappa del fondo cosmico a microonde che ci ha fornito è di una precisione spettacolare; è straordinario come la bontà dei dati cosmologici sia compatibile col più semplice modello lambda-CDM coinvolgente solo sei parametri liberi quando c’erano da accordare col modello migliaia di dati indipendenti. Possiamo quindi ritenere a buon diritto che si tratta della mappa accurata dell’universo primordiale.
(Mario Gargantini)
