Perché quando parliamo di materia oscura i conti non tornano

materia oscura
(Credits: Greg Rakozy on Unsplash)

Per fare un viaggio nell’Universo è bene sapere da dove cominciarlo, per esempio è importante capire dove siamo e cosa abbiamo intorno. E per godere del viaggio proposto da Andrea Cimatti, astronomo e bravo divulgatore scientifico, è bene saper aggiustare il proprio sguardo sia sull’infinitamente grande e spesso invisibile, l’universo, sia sull’infinitamente piccolo e spesso invisibile come le particelle elementari, vecchie e nuove, che compongono l’atomo. Sono strumenti sempre più complessi (e costosi) quelli che raccolgono dati ai due estremi delle nostre possibili conoscenze, dati da ricomporre, da raccordare, da interpretare sulla base di Teorie, costruite su dati e che talvolta i dati stessi costringono a cambiare. Per comprendere il testo di Cimatti bisogna raccogliere la sfida di aprirsi a modelli che non sono sostenuti da esperienze quotidiane e lasciarsi guidare verso un cambiamento del proprio modo di pensare, provandosi a tracciare una immagine di Universo che appare al tempo stesso teorico e sperimentale.

Non è da molto che le teorie di Einstein hanno cambiato le antiche concezioni dello spazio–tempo; di recente, per dare coerenza ai dati sperimentali, gli scienziati immaginano nell’Universo la presenza dominante di una materia oscura e di una altrettanto oscura energia; di recente si ha avuto conferma dell’esistenza di una particella chiamata bosone di Higgs, associata al campo di Higgs che conferisce massa alle particelle che altrimenti ne sarebbero prive e si muoverebbero tutte alla velocità della luce; altre teorie di campo mettono in collegamento oggetti che non si toccano, come il campo gravitazionale generato dalla presenza di massa e che – per esempio -influenza il movimento del sole e dei suoi pianeti.

Andrea Cimatti

L’universo oscuro. Viaggio tra i più grandi misteri del cosmo

Carocci Editore, 2020 (seconda edizione)

pp. 202, € 17,00

Oggi conosciamo bene la posizione del nostro Sistema solare nella Galassia e sono state verificate le teorie di un Universo in espansione, originato da un momento iniziale chiamato Big Bang in cui la materia ancora non esisteva (e che è veramente molto difficile immaginare); è stata individuato il resto fossile del fondo cosmico di microonde (CMB) e i fotoni emessi circa 370.000 anni dopo il Big Bang rappresentano la luce più antica che sia possibile osservare. La scienza è entrata dentro la materia indagando la struttura dei nuclei atomici e delle quattro forze fondamentali che rendono conto di quanto accade nel nostro universo, ma…non tutti i conti tornano. Due problemi si sono, infatti, presentati agli scienziati e non sono ancora stati risolti: la presenza di materia oscura, che rappresenterebbe la maggior parte della materia nell’Universo, e la presenza di energia oscura a cui si deve l’accelerazione nella espansione dell’Universo, iniziata circa cinque miliardi di anni fa, poco prima che si formasse il nostro sistema solare.

Cimatti sintetizza con molta chiarezza le concettualizzazioni più recenti, ne indaga la coerenza implicita, raccorda le osservazioni sperimentali con le aspettative teoriche che, nel tempo, hanno permesso di coordinare tecnologie avanzatissime ed esperimenti finalizzati a dimostrarne la validità. Ma dopo aver discusso il “mistero della materia oscura non ordinaria” e descritto i possibili esperimenti che potrebbero confermare l’esistenza delle nuove particelle ipotizzate per spiegarne la natura, Cimatti suggerisce al lettore alcune riflessioni fondamentali. Alcuni scienziati – dice – “pensano che dietro quello che noi chiamiamo materia oscura si possa nascondere qualche altro problema ancora più profondo”; e continua: “Se invece le leggi di Einstein e di Newton non fossero valide universalmente? E se la gravità avesse un comportamento diverso da quello che pensiamo?”. E’ vero che la storia e soprattutto la storia della scienza non si può fare con i se e con i ma, ma l’ipotesi che le leggi ritenute valide nel nostro universo sperimentale e dalle matematiche umane non siano valide nell’universo cosmico al punto da non riuscire a spiegare il fatto che “i conti non tornano” è un po’ destabilizzante. Si aprono così altre prospettive di ricerca: è stato anche proposto da alcuni scienziati “che la materia oscura non esista e che siano invece le leggi di gravitazione universale e relatività generale a dover essere modificate quando vengono applicate alle grandi scale cosmiche”.

Come sarebbe diversa l’immagine che oggi abbiamo del nostro universo se Einstein non avesse proposto la sua teoria della relatività? Con quale matematica gli scienziati lo avrebbero descritto e interpretato? Anche il mistero dell’energia oscura porta a ripensare i fondamenti delle teorie fisiche. Forse la relatività generale non è valida sulle immense scale dell’Universo (teoria della gravità modificata), o forse esiste una energia intrinseca dello spazio vuoto, spiegabile nel contesto della fisica quantistica, che agirebbe nello spazio-tempo in modo anti gravitazionale. Questo costante effetto repulsivo che si opporrebbe alla attrazione tra le masse, provocherebbe una accelerazione nella espansione dell’Universo, cioè il progressivo allontanamento delle Galassie. Se la gravità vincesse sull’espansione si potrebbe allora immaginare un Big Crunch, cioè una sorta di ricompattamento totale previsto da alcuni modelli teorici ed escluso da altre serie di risultati sperimentali.

L’ultimo capitolo del libro è un “epilogo oscuro”, che ripercorre le gigantesche talvolta incomprensibili dimensioni e distanze che bisogna dominare quando ci si allontana dalla Terra o quando si cerca di immaginare i lunghissimi tempi cosmici che regolano l’evoluzione dell’Universo. Ma, conclude Cimatti, solo il 5% di questo è accessibile agli occhi e ai telescopi umani. Altri esperienti, altre tecnologie sono necessarie per fare luce sulla parte oscura dell’Universo, e forse sono necessarie anche altre teorie e altre domande.

Alla fine di una lettura così stimolante, anche il lettore inesperto avrebbe voglia di fare domande ed avere possibilmente delle risposte. Le cose non capite, o valutate diversamente da come chiederebbe l’Autore esperto, non sono poche, e le conoscenze di riferimento non sempre bastano, come forse non bastano circa duecento pagine per condensare teorie e conoscenze su un intero Universo. Le letture consigliate aiutano, come aiuta il glossario che riporta il significato delle tante sigle che sintetizzano, nel gergo degli astronomi, concetti e teorie spiegate nel testo.

Credits immagine: Greg Rakozy on Unsplash