Energia e materia oscura, l’inclinazione di Urano e i buchi neri supermassicci. Ecco alcuni dei misteri ancora irrisolti sull’universo
Non c’è dubbio che l’umanità abbia fatto passi da gigante nella comprensione dell’universo dall’inizio del XX secolo. Tuttavia, c’è ancora molto che non sappiamo.
1. L’energia oscura

Nei primi anni del ‘900, l’astronomo Edwin Hubble scoprì – con grande sorpresa dei fisici dell’epoca, compreso Einstein – che l’universo è in espansione. Alla fine del secolo scorso, misurando la distanza delle supernove di tipo Ia, gli astronomi hanno scoperto che non solo l’universo si sta espandendo, ma che questa espansione sta anche accelerando. Il concetto di energia oscura è stato introdotto proprio per spiegare quale forza stia guidando questa espansione. Oggi sappiamo che l’energia oscura rappresenta il 68% del bilancio di materia ed energia dell’universo. Torneremo sull’altro 27% mancante fra un attimo.
Cos’è l’energia oscura
Non lo sappiamo ancora. La vera domanda è perché l’energia oscura abbia iniziato a dominare l’universo a partire da un certo momento in poi. All’inizio del tempo, l’universo subì un’inflazione improvvisa e rapida, che chiamiamo Big Bang. Durante questa fase, la radiazione dominò l’universo. Circa 47 milioni di anni dopo, la materia iniziò a formarsi e circa 400 milioni di anni dopo, si formarono le prime galassie e l’espansione dell’universo rallentò. Fu la materia a dominare questa epoca. Tuttavia, circa 9-10 miliardi di anni dopo il Big Bang, qualcosa, l’energia oscura, fece sì che l’universo ricominciasse a espandersi. Questa espansione continua ancora oggi e sta accelerando sempre di più. Siamo nell’epoca dell’universo dominata dall’energia oscura.
2. Come hanno fatto i buchi neri supermassicci a diventare così grandi così velocemente?

I buchi neri supermassicci hanno masse milioni o miliardi di volte superiori a quella del Sole e si pensa che risiedano nel cuore di tutte le grandi galassie. Nessuna stella ha la massa necessaria per collassare e creare un buco nero supermassiccio, quindi gli scienziati sanno che questi colossi non nascono come i più piccoli buchi neri di massa stellare, che hanno masse da circa 10 a 100 volte superiori a quelle del Sole.
Gli scienziati pensano che i buchi neri supermassicci crescano fino a dimensioni mostruose tramite catene di fusione di buchi neri più piccoli. Si pensa anche che la loro crescita sia incrementata dal rapido consumo di gas e polvere dalle loro galassie ospiti. Il problema è che telescopi come il James Webb continuano a scoprire buchi neri supermassicci giganteschi: come abbiano fatto a diventare così grandi in così poco tempo è ancora un mistero per gli scienziati.
3. Cosa c’è dentro a un buco nero?
Il confine esterno di un buco nero è segnato dal suo orizzonte degli eventi, il punto in cui nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla sua presa. Niente con massa può viaggiare più velocemente della luce: questo significa che qualsiasi cosa passi l’orizzonte degli eventi fa un viaggio di sola andata verso il cuore del buco nero. Significa pure che non potremo mai sperare di ricevere un segnale dall’interno di un buco nero. Sono, e saranno per sempre, avvolti nel mistero.
Il concetto di singolarità
Naturalmente, dove l’osservazione fallisce abbiamo la teoria, giusto? Per niente. La migliore spiegazione per la gravità, su cui sono costruiti i nostri modelli dell’universo, è la relatività generale che ci è stata fornita da Einstein nel 1915.
Meno di un anno dopo, nel dicembre 1915, i buchi neri attirarono per la prima volta l’attenzione degli scienziati a livello teorico, quando le soluzioni alle equazioni della relatività generale elaborate dall’astronomo tedesco Karl Schwarzschild fornirono calcoli che indicavano che poteva esserci un punto infinitesimale nello spazio in cui un’enorme quantità di materia avrebbe potuto condensarsi, portando le equazioni della relatività generale all’infinito.
Gli scienziati chiamano questo punto “singolarità”, ed è molto preoccupante perché significa che, al centro di un buco nero, tutte le leggi e le teorie della fisica crollano, proprio come le stelle morenti che danno origine ai buchi neri.
4. Qual è il segreto della materia oscura nell’universo?

Ricordate che manca il 27% del bilancio di materia ed energia dell’universo? L’altro elemento dell’universo è la materia oscura e gli scienziati hanno poca idea di cosa sia. Tuttavia, abbiamo qualche indizio in più rispetto all’energia oscura. Ad esempio, siamo abbastanza sicuri di cosa non sia la materia oscura. La materia oscura non interagisce con i fotoni (particelle di luce), o quando lo fa, l’interazione è così debole che non possiamo vederla. Lo stesso vale per le particelle di materia ordinaria, che è composta da atomi che comprendono elettroni, protoni e neutroni. Quindi, sappiamo che la materia oscura non è composta da materia “normale”.
L’unico modo in cui possiamo dedurre la presenza di materia oscura è tramite le sue interazioni con la gravità. Questa influenza e modella il tessuto dello spazio e della materia ordinaria. La materia oscura è stata scoperta quando gli astronomi americani Vera Rubin e Kent Ford hanno scoperto che alcune galassie ruotano così velocemente che l’influenza gravitazionale della loro materia visibile non sarebbe sufficiente a tenerle insieme. La gravità della materia oscura è la colla che impedisce alle galassie di separarsi.
L’assione
Il fatto che la materia oscura non possa essere composta da normale materia barionica ha stimolato la ricerca di una particella che potrebbe spiegare questa misteriosa sostanza. Il principale sospettato finora è una particella incredibilmente leggera chiamata assione.
Questo continuo fallimento nel rilevamento delle particelle ha portato alcuni scienziati a rivisitare l’idea che i minuscoli buchi neri primordiali rimasti dal Big Bang potrebbero spiegare la materia oscura. Ma questi candidati cosmici, come gli assioni, rimangono puramente ipotetici.
5. Cosa ha colpito Urano?

Gli scienziati pensano che queste caratteristiche insolite di Urano siano il risultato di un oggetto da una a tre volte più massiccio della Terra che si è schiantato contro Urano miliardi di anni fa, mentre il sistema solare si stava ancora formando. Ma quando i ricercatori eseguono simulazioni di questa collisione, l’impatto di un corpo abbastanza massiccio da spostare drasticamente il terzo pianeta più grande del sistema solare produce detriti che sono troppo massicci rispetto alle dimensioni delle lune di Urano. Gli scienziati sperano di risolvere il mistero delle strane caratteristiche di questo gigante di ghiaccio attraverso future missioni spaziali.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo originale su Space.com.