Materia oscura ed energia oscura

L'universo che non vediamo

Quando gli astronomi sommano tutte le stelle, il gas e la polvere che possono osservare, il totale è molto inferiore a quello che, secondo la gravità, deve esserci. E il modo in cui cresce l'intero universo non corrisponde a ciò che farebbe la sola materia ordinaria.

Due nomi coprono queste lacune. La materia oscura è massa in più che attrae ma non brilla. L'energia oscura è qualunque cosa stia spingendo l'universo a espandersi sempre più velocemente.

Oscura qui significa semplicemente sconosciuta e invisibile ai telescopi. Nessuna delle due ha a che fare con le nubi scure di polvere che si vedono nelle foto della Via Lattea.

Le prove della materia oscura

Nel 1933 Fritz Zwicky misurò le galassie dell'Ammasso della Chioma e scoprì che si muovevano così velocemente che la materia visibile non poteva tenerle insieme. Negli anni Settanta Vera Rubin e Kent Ford misurarono come orbitano le stelle nelle galassie a spirale. Le stelle lontane dal centro si muovevano veloci quanto quelle più vicine, il che aveva senso solo se ogni galassia si trovava dentro un grande alone di massa invisibile.

La gravità curva anche la luce, un effetto chiamato lente gravitazionale. Gli ammassi di galassie massicci deformano in archi le immagini delle galassie che stanno dietro, e l'entità della curvatura rivela molta più massa di quella che la materia visibile può fornire.

L'Ammasso Proiettile, studiato in dettaglio nel 2006, è una coppia di ammassi di galassie che si sono attraversati a vicenda. Le immagini ai raggi X mostrano il gas caldo, che contiene la maggior parte della materia ordinaria, rallentato al centro, mentre le lenti gravitazionali mostrano che la maggior parte della massa è passata oltre. Questa separazione è difficile da spiegare senza materia oscura.

Che cosa potrebbe essere la materia oscura?

La materia oscura non sembra emettere, assorbire o riflettere luce, eppure ha gravità. La maggior parte degli scienziati pensa che sia fatta di particelle non ancora identificate.

Tra i candidati più noti ci sono le WIMP, particelle pesanti che interagiscono a malapena con qualsiasi cosa, e gli assioni, particelle estremamente leggere. Rivelatori nel sottosuolo profondo, negli acceleratori di particelle e nello spazio li cercano da decenni, senza un segnale confermato al 2026.

Un gruppo più piccolo di ricercatori esplora invece la gravità modificata, l'idea che la gravità si comporti diversamente sulla scala delle galassie. Finora però nessuna teoria di questo tipo spiega tutte le prove bene quanto la materia oscura, soprattutto casi come l'Ammasso Proiettile.

L'energia oscura e l'universo che accelera

Dagli anni Venti del Novecento gli astronomi sanno che l'universo si sta espandendo. La maggior parte si aspettava che la gravità rallentasse quell'espansione nel tempo.

Nel 1998 due gruppi usarono le supernove di tipo Ia, nane bianche che esplodono con una luminosità prevedibile, per misurare le distanze di galassie lontane. Le supernove distanti apparivano più deboli del previsto, il che significa che l'espansione sta accelerando da diversi miliardi di anni. La scoperta ha vinto il premio Nobel per la fisica 2011.

La spiegazione più semplice è un'energia costante insita nello spazio stesso, vicina alla costante cosmologica che Einstein aveva proposto. Survey recenti come DESI hanno suggerito che l'energia oscura potrebbe cambiare nel tempo, ma al 2026 questa ipotesi è ancora in fase di verifica.

Facciamo i conti: 5%, 27%, 68%

Combinando le misure del fondo cosmico a microonde, il debole bagliore residuo del Big Bang, con le survey di galassie e supernove si ottiene un bilancio notevolmente coerente. La materia ordinaria è circa il 5% del totale, la materia oscura circa il 27% e l'energia oscura circa il 68%.

Queste quote sono approssimative e descrivono l'universo di oggi. Nell'universo primordiale l'energia oscura aveva un ruolo molto minore, e dominava la materia.

In altre parole, circa il 95% del cosmo è fatto di cose che sappiamo descrivere dai loro effetti ma a cui non sappiamo ancora dare un nome.

Euclid e le altre missioni

Il telescopio spaziale Euclid dell'ESA è stato lanciato a luglio 2023, con la NASA che ha fornito i suoi rivelatori infrarossi. Da una posizione a circa 1,5 milioni di km dalla Terra, sta mappando forme e distanze di miliardi di galassie su circa un terzo del cielo.

Minuscole distorsioni nelle forme delle galassie tracciano la materia oscura tra noi e loro, e la distribuzione delle galassie nel tempo registra come l'energia oscura abbia stirato lo spazio. Le sue prime immagini sono uscite nel 2023 e i primi dati della survey nel 2025.

Altri progetti completano il quadro, tra cui l'Osservatorio Vera C. Rubin in Cile e il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, lanciato nell'agosto 2026.

Domande aperte

Quale particella è la materia oscura, ammesso che sia una particella? L'energia oscura è davvero costante o cambia? Una teoria della gravità più profonda potrebbe legare le due?

Rispondere anche solo a una di queste domande cambierebbe probabilmente la fisica. Per ora, materia oscura ed energia oscura vanno viste come etichette precise per effetti reali e misurati, le cui cause restano sconosciute.