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Energia oscura

L’energia oscura è una ipotetica forma di energia diffusa omogeneamente nello spazio, che potrebbe giustificare, tramite una grande pressione negativa, l’espansione accelerata dell’universo.

Si stima che debba rappresentare una gran parte, circa il 68%, della massa energia dell’universo, la cui quota che sfuggirebbe agli attuali metodi di rilevazione salirebbe a circa il 95% comprendendo anche la materia oscura.

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.
  • 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.

Pur essendo l’energia oscura la spiegazione più diffusa fra i cosmologi per spiegare l’espansione accelerata dell’universo, alcuni modelli di gravità quantistica, tra cui la gravitazione quantistica a loop, possono spiegare le proprietà cosmologiche senza avvalersi di tale ipotesi.

Continuo oggetto di ricerca

Il termine “energia oscura” fu coniato dal cosmologo Michael Turner.

L’esatta natura dell’energia oscura è tuttora oggetto di ricerca. Si sa che dovrebbe possedere omogeneità, avere densità non elevata e non interagire fortemente con alcuna delle forze fondamentali, eccetto la gravità. Dal momento che non sarebbe molto densa (circa 10−29 g/cm3) è improbabile immaginare esperimenti per trovarla in laboratorio. L’energia oscura potrebbe tuttavia avere un forte impatto sull’universo, costituendo quasi il 70% di tutta l’energia e colmando uniformemente lo spazio vuoto. I due modelli più importanti sono la costante cosmologica e la quintessenza.

Quintessenza

In alternativa, l’energia oscura potrebbe derivare dall’eccitazione di particelle in alcuni tipi di campi scalari dinamici 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.

Il problema della coincidenza cosmica si 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 formarsi 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 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.

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 Newtonian 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.

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.

Pressione positiva di vuoto

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 del Big Bang, sia la storia futura dell’universo (il Big Rip), possono essere spiegati con una Pressione Positiva di Vuoto.

Secondo Ahmed Fariag Ali, Saurya Das e Rajat K. Badhuri, l’energia oscura è una costante cosmologica sviluppata dal potenziale quantistico di un condensato di Bose-Einstein che genera fluttuazioni quantistiche ed altri effetti. Tale stato della materia sarebbe presente in tutte le epoche dell’universo e formerebbe anche la materia oscura. Un condensato di Bose-Einstein si forma quando i bosoni, in questo caso gravitoni o assioni, vengono portati a temperature vicine allo zero assoluto; a quel punto le reazioni quantistiche si manifestano su scala macroscopica.

Implicazioni per il destino dell’universo

I cosmologi ipotizzano che la cosiddetta era del dominio dell’energia oscura, in cui tale forma di energia ha iniziato a prevalere sulla gravità, sarebbe iniziata circa 4 miliardi di anni fa[7] e che nella fase precedente, seguita al Big Bang e all’inflazione, l’espansione fosse in decelerazione a causa della forza gravitazionale attrattiva esercitata dalla materia barionica e dalla materia oscura. In un universo in espansione dovrebbe ridursi più velocemente rispetto all’energia oscura, fino a che 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.

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 (ciò 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.

Scenari alternativi

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.