Pubblicato in: n. 13 Due /

Il cielo e il suo doppio

dialogo tra Leopoldo Benacchio e Gianfranco De Zotti

Benacchio. La dualità nello studio dell’universo è il tema, proviamo a parlarne tu ed io e vediamo se riusciamo a farci capire, in fondo siamo in… due. Da dove cominciamo?

De Zotti. Proviamo, anche se sai che sono un po’ perplesso. Per parlare del ‘due’, della dualità nello studio dell’universo, che costituisce l’argomento di indagine della cosmologia, non c’è che l’imbarazzo della scelta. Possiamo iniziare da quello che sembra il caso più semplice: il visibile e il non visibile.

Benacchio. Da come ne parli capisco che semplice non sarà, ma va bene lo stesso; fra i tanti possibili, affronteremo allora proprio questo aspetto dell’universo. ‘Universo’ è tutto ciò che pensiamo esista, e in esso abbiamo sia sistemi visibili che sistemi ‘oscuri’. La divisione, quindi, è fra la materia visibile, da una parte, e la materia e l’energia oscura, dall’altra.

De Zotti. Sì, anche se va rimarcato che la materia oscura non è materia ‘scura’ – la traduzione dall’inglese dark ci procura dei bei grattacapi –, ma materia che, per quanto ne sappiamo, ha solo interazioni gravitazionali. Ciò significa che queste particelle snobbano le interazioni elettromagnetiche, che sono quelle che emettono segnali ‘visibili’, per lo meno per gli strumenti.

Benacchio. D’accordo, iniziamo quindi dalla materia visibile. Intuisco che si tratta della materia che vediamo, in qualche modo, a occhio nudo, con i telescopi e nelle varie lunghezze d’onda.

De Zotti. Cominciamo subito però a mettere dei paletti: di tutto quello che compone l’universo, oggi riteniamo che solo il 4-5% sia materia visibile, barioni in particolare, materia ordinaria di cui siamo fatti pure noi.

Benacchio. Andiamo con calma, specifichiamo semplicemente che i barioni sono le particelle di cui sono costituiti i nuclei degli atomi, e cioè protoni e neutroni. Per chi si intende un po’ di fisica fondamentale possiamo precisare che protoni e neutroni non sono gli unici barioni noti, ma che gli altri sono irrilevanti per quanto riguarda la densità cosmica di massa. Le altre particelle che ci sono familiari, gli elettroni, contribuiscono in modo trascurabile alla densità di materia. Lo stesso vale per i neutrini, che ora sappiamo essere dotati di massa, ma veramente trascurabile.

De Zotti. Quindi, barioni: tutto quello che vediamo è fatto principalmente da particelle elementari che appartengono a questa categoria e l’universo è composto solo per il 4,5% di materia barionica, ma c’è una sorpresa: noi ne vediamo solo 1/10!

Benacchio. Ma come, materia ‘visibile’… e poi mi dici che ne vediamo solo 1/10? C’è da sentirsi presi in giro!

De Zotti. Già, è così, nessun gioco di parole. ‘Visibile’ significa che la possiamo vedere, ma non che la dobbiamo vedere per forza, così come io posso urlare, però non è detto che lo faccia. Il punto vero è semplice: solo il 10% della materia visibile è concentrata nelle stelle e quindi la vediamo.

Benacchio. Ma allora dov’è quella che non si vede ma è ‘visibile’ (di nuovo il gioco di parole…)?

De Zotti. Probabilmente è nello spazio intergalattico. Abbiamo indizi, ma anche prove sicure, che ci vengono dallo studio degli ammassi di galassie. Stiamo parlando di porzioni di universo di dimensioni molto maggiori di quelle di una galassia singola, che si sono complessivamente contratte per azione della reciproca gravitazione. Contraendosi, hanno riscaldato il gas che sta tra una galassia e l’altra fino a temperature di decine di milioni di gradi, rendendolo visibile nelle frequenze dei raggi X. La massa di questo gas caldo risulta molto maggiore di quella in forma di stelle.

Benacchio. Facciamo una pausa, per tirare il fiato. Una stella la vediamo, ma per fare una galassia occorre che stiano assieme qualche miliardo di stelle, e un ammasso di galassie conta da 100 a oltre 1.000 di questi ‘universi isola’, simili o meno alla nostra Via Lattea, in una zona relativamente piccola, rispetto all’universo intero. Le galassie componenti, poi, si influenzano a vicenda per l’attrazione gravitazionale. A pensare che si tratta della stessa forza che fece cadere la famosa mela di Newton c’è da non crederci…

De Zotti. È vero, e le strutture cosmiche costruite per effetto della gravità si estendono su dimensioni addirittura maggiori di quelle degli ammassi. Per legarci al punto precedente, il satellite europeo Planck ha osservato degli enormi filamenti di gas caldo (con dimensioni di oltre 10 milioni di anni-luce) che connettono coppie di ammassi in interazione. Dobbiamo però precisare che gli ammassi sono rari, cosicché il gas che contengono o che sta in questi filamenti, pur con una massa molto maggiore di quella delle loro stelle, contribuisce poco alla densità globale di massa.

Benacchio. Ho capito, quindi la materia barionica che sta fra le galassie negli ammassi la vediamo perché è riscaldata dalla contrazione gravitazionale che ha prodotto queste strutture. Ma l’altra, il 90% di quel famoso 4,5% – come abbiamo detto all’inizio – di tutto ciò che compone l’universo, non la vediamo. Avendo svolto un ruolo così importante nell’analisi dei dati del satellite Planck, non hai individuato, insieme alla tua squadra, qualche elemento in più? Con tutti i soldi che è costato…

De Zotti. Planck, in realtà, ha trovato qualcosa, basandosi su un effetto fisico molto particolare, scoperto dai fisici russi Yakov Zel’dovich e Rashid Sunyaev: il gas caldo si manifesta, oltre che con l’emissione di fotoni, mediante le sue interazioni con il fondo cosmico di microonde, che sono state misurate dal satellite con un’accuratezza senza precedenti. Sommando i segnali misurati, singolarmente troppo deboli per essere visibili, in direzione di 260.000 galassie brillanti, Planck ha dimostrato che esse hanno degli aloni di gas caldo di bassa densità. Questo gas corrisponde a circa il 25% della massa in barioni, cioè a oltre il doppio della massa in stelle. Risulta così rafforzata l’ipotesi che i barioni che ancora sfuggono all’osservazione siano in forma di gas caldo ancora più diluito, distribuito nello spazio intergalattico.

Benacchio. Bene, comunque siamo sempre al 25%, cioè a un quarto di quel 4,5% di materia esistente nell’universo che è (sarebbe…) visibile. Vale la pena di specificare che Planck è un satellite-osservatorio astronomico dell’Agenzia Spaziale Europea che fino al 2013 ha osservato l’universo nel campo delle microonde. In pratica, ci ha offerto un’immagine dell’universo com’era circa 300.000 anni dopo il Big Bang, quando la radiazione elettromagnetica generata nelle prime fasi dell’espansione cosmica ha cominciato a propagarsi imperturbata nello stesso universo.

De Zotti. Ora che abbiamo affrontato i sistemi visibili ci tocca la seconda parte, i sistemi invisibili. Qui troviamo ancora due componenti: materia oscura ed energia oscura.

Benacchio. Iniziamo dalla materia oscura, che cosa è? Sembra quasi una dizione un po’ da magia nera…

De Zotti. In italiano la traduzione di dark con ‘oscura’ porta a doppi e tripli significati che certo non hanno nulla a che fare con la fisica. Sappiamo che essa esiste perché, altrimenti, il moto delle stelle nelle parti esterne delle galassie sarebbe molto diverso da quello che osserviamo.

Benacchio. Ma la prova, l’evidenza, qual è? E quanta ce n’è di questa materia oscura?

De Zotti. Non stiamo parlando solo di ipotesi, per quanto ragionevoli. Le galassie, anche la nostra Via Lattea, ruotano attorno al loro centro, e come ruotano! Pensiamo che il Sole, con tutto il suo sistema di pianeti, asteroidi, comete e via discorrendo, ruota attorno al centro della galassia a circa 220 chilometri al secondo, velocità inimmaginabile se la trasformiamo in chilometri all’ora, eppure…

Benacchio. Capisco. Per fortuna c’è la gravità che ci tiene ben attaccati a terra, ma qual è il nesso?

De Zotti. Il fatto è che, se noi costruiamo le curve di rotazione delle galassie esaminando le velocità delle singole stelle e la confrontiamo con la massa della galassia, vediamo che i conti non tornano. Perché le stelle possano avere quelle velocità e poter stare tutte assieme in una singola galassia occorre che ci sia tanta, tanta massa in più, almeno 10 volte di più di quella che vediamo.

Benacchio. Guardando la luce che ci arriva dalla galassia possiamo quindi sapere le velocità delle stelle e la prova esiste, come sempre deve essere per la scienza. Occorre anche dire che, alla base, c’è una teoria importante e forte, quella della gravitazione universale. Eppure, per quanto riguarda l’identificazione della natura di questa materia sembra ci sia un intersecarsi apparentemente poco chiaro di varie teorie, ne manca insomma una chiara che possa guidare il ricercatore che vuole trovarla in cielo.

De Zotti. Certo, si stanno cercando i migliori candidati, fra le particelle elementari, mediante numerosi esperimenti da terra e dallo spazio, come il progetto DAMA al Gran Sasso e il satellite PAMELA, lanciato nello spazio nel 2006, e c’è la speranza che indicazioni importanti emergano dai grandi acceleratori di particelle, come al CERN di Ginevra. Si tenta di capire se funziona l’ipotesi teorica di una proprietà fondamentale della materia, la supersimmetria. Per non dilungarci troppo e tediare il lettore, diciamo che questa proprietà, cui è stato dato il nome vezzoso di ‘Susy’, non sembra proprio venire fuori; siamo a metà fra speranzosi e ottimisti, da un lato, e pessimisti, dall’altro. Ogni misura, in fisica, si basa comunque su una teoria precisa, qui sembra ci sia un po’ un guazzabuglio di teorie in effetti, ma il timone è ancora saldamente in mano nostra.

Benacchio. D’accordo, e anche per l’energia oscura siamo abbastanza sicuri?

De Zotti. Purtroppo no, per l’energia oscura siamo in alto mare. Il punto è questo: le scoperte più recenti sull’universo, ad esempio quelle basate sull’osservazione di Supernovae, ci dicono che, contrariamente a quanto si pensava ancora non molti anni fa, l’espansione dell’universo non sta rallentando ma sta accelerando. Ora, noi sappiamo che se c’è un’accelerazione ci deve essere qualcosa che la sostiene. Perciò è stato introdotto questo concetto di energia ‘oscura’ che rappresenterebbe, alla fin fine, la gran parte di quello che c’è nell’universo.

Benacchio. Abbiamo così che il 75% di quello che c’è nell’universo sarebbe energia oscura, il 21% circa materia oscura e, come abbiamo visto, solo il 4,5% materia visibile, con tutti i ‘se’ e i ‘ma’ di cui abbiamo parlato. Sembra sconsolante…

De Zotti. L’energia oscura sarebbe una pressione negativa, che spinge verso l’espansione. Bisogna ammettere che siamo molto meno sicuri riguardo a questa componente che alle altre due. Ma non bisogna scoraggiarsi, la scienza non ha mai fatto tanti progressi nella conoscenza dell’universo come negli ultimi trent’anni, grazie ai satelliti artificiali, che osservano senza disturbi dell’atmosfera e in tutte le lunghezze d’onda possibili, alla disponibilità di computer e anche, diciamolo, di nuove buone idee.

Benacchio. Lo spazio che avevamo a disposizione purtroppo è esaurito, come possiamo concludere?

De Zotti. Peccato, si potrebbe parlare del dualismo materia/antimateria, dell’energia del vuoto e di tante altre questioni interessanti… Lasciami solo accennare a un altro dualismo che in questo momento ci blocca. La cosmologia moderna è basata sulla ‘teoria della relatività’, che però nessuno è ancora riuscito a conciliare con l’altra grande branca della fisica, la meccanica quantistica. Quando e se ci riusciremo, l’universo avrà molti meno misteri per noi.

Abbiamo adottato la forma del dialogo certo non per emulare ben altri e magnifici esempi in astronomia, ma perché ci sembrava che una forma colloquiale potesse avvicinare maggiormente il lettore ad una disciplina splendida, la Cosmologia, ritenuta, non del tutto a torto, piuttosto ostica. Gianfranco De Zotti ha fornito la parte disciplinare e Leopoldo Benacchio ha cercato di renderla nella forma che assieme abbiamo scelto.

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Leopoldo Benacchio

Leopoldo Benacchio è docente all’Istituto Nazionale di Astrofisica dell’Osservatorio di Padova e insegna all’Università di Padova. Accanto all’attività di ricerca, sulle tecnologie di calcolo, rete e Grid per l’astrofisica, dal 1995 si dedica alla comunicazione della scienza al grande pubblico e in ambiente didattico. Fra le sue pubblicazioni, ‘Il grande atlante dell’universo’ (Fabbri, Milano 2003) e ‘Alla scoperta del cielo’ (con A. Turricchia, Editoriale scienza, Trieste 2006-2009).

Gianfranco De Zotti

Gianfranco De Zotti, cosmologo e astronomo ordinario all’Osservatorio di Padova - INAF, di cui è stato direttore, è docente di Astrofisica e Cosmologia alla SISSA di Trieste. È stato membro, fra l’altro, dell’Astronomy Working Group dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e del comitato scientifico dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), del comitato nazionale per le scienze fisiche del CNR. La sua ricerca ha coperto un’ampia gamma di problematiche di astrofisica extragalattica e cosmologia.

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