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19 febbraio 2007

I due volti dell'universo oscuro

La settimana scorsa, con Marco Bruni e Claudia Quercellini, abbiamo terminato la scrittura di un articolo che appare oggi su arXiv. Riassume i risultati del nostro lavoro degli ultimi tempi sul lato oscuro dell'universo, che oggi è probabilmente il problema più importante in cosmologia.

L'universo contiene una grande quantità di energia e materia non direttamente osservabile (ovvero che non emette radiazione elettromagnetica) ma che fa sentire la sua influenza attraverso l'interazione gravitazionale. Si sa con buona precisione che questa componente oscura deve essere ben il 96% del contenuto complessivo del cosmo, ma non si sa ancora quasi niente della sua reale natura. La parte di universo che conosciamo meglio, perché è fatta di atomi come noi, è solo il 4% del totale.

Attualmente, l'ipotesi standard in cosmologia è che la parte "invisibile" dell'universo sia, a sua volta, di almeno due tipi. Un tipo abbastanza simile alla materia ordinaria, se non per il fatto che non è composta di atomi ma di qualche particella ancora sconosciuta, più pesante dei protoni e dei neutroni, e che non interagisce con il resto della materia, se non attraverso la forza di gravità. Questa è quella che i fisici e i cosmologi chiamano comunemente "materia oscura". L'esistenza di questo tipo di materia è necessaria per spiegare una serie di osservazioni cosmologiche, essenzialmente legate alla formazione di strutture nell'universo. C'è poi un altro tipo di componente oscura, la cui esistenza è stata ipotizzata per la prima volta da Einstein nel 1917, ma che è stata introdotta nei modelli cosmologici solo di recente per spiegare il fatto che l'universo sta accelerando la sua espansione. E' quella che viene chiamata "energia oscura": una "sostanza" che, contrariamente a qualsiasi tipo di materia o energia nota, produce una specie di forza di gravità repulsiva. Il rapporto tra la quantità di materia e di energia oscura nell'universo sembra essere all'incirca di 1 a 3, ma non c'è una teoria fisica fondamentale che riesca a interpretare questo dato osservativo.

Nel nostro lavoro, ci siamo discostati un po' dal paradigma consueto, assumendo che invece esista un solo tipo di componente oscura, che spieghi l'accelerazione attuale dell'universo ma si comporti anche in maniera simile alla materia. La chiave sta nel fatto che la materia oscura e l'energia oscura agiscono in fasi diverse dell'evoluzione cosmica: la formazione delle strutture, guidata dall'attrazione gravitazionale della materia, avviene prima, e successivamente subentra l'effetto repulsivo dell'energia che fa accelerare l'espansione. Quindi, si può immaginare che esista un unico fluido con un tipo di evoluzione tale da farlo sembrare, in epoche diverse, materia oscura o energia repulsiva. Abbiamo provato a vedere come si confrontano le previsioni di questo modello con una serie di osservazioni cosmologiche, e abbiamo trovato che l'accordo è piuttosto buono, anche migliore di quello del modello standard (in cui ci sono due diverse componenti oscure). Ovviamente, ora dobbiamo continuare lo studio in modo più dettagliato, quindi il lavoro nei prossimi mesi non mancherà!
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