parere del CNRS sul ricercatore Jean-Pierre Petit

In questa cartella, apparsa sul suo bollettino,

il CNRS esprime il suo parere sui lavori di astrofisica e cosmologia di Jean-Pierre Petit

8 marzo 2005

Big Bang Energia oscura

IL GRANDE INCOGNITO

Nel 1998 è arrivato lo scossone, racconta Pierre Astier, del Laboratorio di fisica nucleare e alte energie: l’espansione dell’Universo accelera sotto l’effetto di un’energia misteriosa, l’energia oscura. Questa rappresenterebbe circa il 70% dell’universo. E non ne conosciamo affatto la composizione. Finora, nel quadro della teoria del Big Bang e alla luce della relatività generale di Albert Einstein, si sapeva che l’Universo si espande in modo regolare grazie a un’«esplosione» iniziale. Di conseguenza, il lavoro dei ricercatori si limitava a rilevare il contenuto dell’universo per «pesarlo» e determinare se l’espansione potesse fermarsi sotto l’effetto della gravità. Ma sette anni fa, le idee sono state completamente ribaltate. Due team indipendenti sono entrati in scena: il Supernovae Cosmologic Project e la High z Supernova search team. Hanno osservato una cinquantina di esplosioni stellari lontane (distanziate tra 1 e 6 miliardi di anni luce), assimilate a supernovae di tipo Ia, cioè a deflagrazioni nucleari naturali. Questi fenomeni rari sono chiamati «candele standard», perché la loro luminosità assoluta è nota e si può determinarne la distanza con due metodi diversi. Tuttavia, durante le osservazioni del 1998, le supernovae più lontane avevano una luce più debole di quella attesa in un universo il cui espandersi fosse dovuto esclusivamente alla materia. Di conseguenza, si impone una conclusione: la bassa luminosità apparente si spiega con la distanza dell’astro. La sua galassia ospite si trova a una distanza maggiore di quanto si pensasse. L’Universo quindi si è espanso più velocemente del previsto. Per spiegare il fenomeno, bisogna quindi inventare un’energia oscura misteriosa che dia una spinta all’espansione. Questa scoperta avrebbe sconvolto la teoria del Big Bang? «Per niente. Rinvigorisce l’interesse e aggiunge un tocco di eccitazione», rassicura Pierre Astier.

Dal 1998, due conferme dell’accelerazione sono arrivate a rafforzare l’ipotesi. E «i risultati più recenti indicano che questo regime di espansione è prevalente da circa quattro o cinque miliardi di anni, cioè il 35% della storia dell’Universo», precisa il fisico, membro del gruppo di ricerca creato da Reynald Pain, l’unico francese che ha partecipato all’epopea americana del Supernova Cosmology Project. I ricercatori francesi utilizzano ora diversi telescopi, tra cui il Canada-France-Hawaii e il Very Large Telescope europeo del Cile. La caccia alle supernovae lontane è diventata una priorità per questi strumenti di osservazione. L’obiettivo? «Scoprirne centinaia», si anima Pierre Astier. È indispensabile per poter stimare come è evoluta nel passato l’accelerazione dell’espansione. Alcuni fisici vedono in questa forza repulsiva la firma di ciò che chiamano «energia del vuoto».

Questa riflette l’incalcolabile agitazione quantistica dell’universo su piccola scala. Spiegazioni: i ricercatori vedono il vuoto – «ciò che resta quando si toglie tutto» – come un mezzo bizzarro. Il nulla assoluto non esiste. Costantemente appaiono e scompaiono particelle e antiparticelle virtuali. Questi oggetti si creano e si disintegrano immediatamente. A essi è associata un’energia irriducibile che chiamiamo «livello fondamentale» o, più semplicemente, «energia del vuoto». E, secondo un’esperimento proposto nel 1948 dall’olandese Hendrick Casimir, l’energia del vuoto si comporta come una pressione. Una forza repulsiva. Da qui l’idea di identificarla con l’energia oscura, che sembra «far esplodere» l’Universo.

Per altri, se l’energia oscura evolve nel tempo, potrebbe corrispondere a un vero e proprio zoo di oggetti esotici che costituiscono la quintessenza o «quinta essenza», accanto alle quattro forze fondamentali (vedi pagina 28). Come si può vedere, il destino di tutto l’universo è in gioco. È urgente chiarire le ambiguità. Con i progetti in corso, il gruppo francese prevede di rilevare 600 nuove supernovae in cinque anni. Dall’altra parte, il telescopio spaziale Hubble ha scoperto sedici supernovae nel 2003. Che vinca il migliore nella ricerca dell’energia oscura!

Frédéric Guérin

CONTATTO

Pierre Astier, astier@in2p3.fr

MATERIA OSCURA: L’OCEANO INVISIBILE

È un enigma ostinato: la materia ordinaria rappresenta meno del 5% del contenuto dell’universo, e più del 95% manca completamente. Se l’energia oscura conta per il 70% dell’Universo, cosa compone il resto? Tutto è cominciato nel 1933, quando l’astrofisico americano Fritz Zwicky osserva l’ammasso di Coma nella costellazione della Chioma di Berenice, a 150 milioni di anni luce di distanza. Questo oggetto è composto da migliaia di galassie simili alla nostra Via Lattea. E rivela che la velocità di spostamento delle galassie nell’ammasso suggerisce la presenza di cento volte più materia di quanto si veda. In sostanza, la parte emergente dell’iceberg. In sottotraccia, si disegna il quadro: le stelle luminose, le nubi di gas e polvere che popolano le galassie sono solo semplici detriti. Galleggiano sulla superficie di un imponente oceano invisibile e potente che le agita. Allo stesso modo, negli anni Sessanta–Settanta, lo studio del movimento delle stelle al centro delle galassie sembra dimostrare che queste contengono da cinque a dieci volte più materia invisibile rispetto a quella visibile. Per salvare le apparenze, è stato quindi necessario «inventare» una materia, nera o oscura, di natura diversa da quella che conosciamo. Negli ultimi dieci anni, si è assistito a un miglioramento fulmineo della qualità e della quantità dei dati, osservano i ricercatori.

Da un lato, l’osservazione della rotazione delle galassie ha confermato la presenza di un alone di materia oscura dieci volte più massiccio delle stelle. Dall’altro, gli ammassi contengono un gas caldo portato a milioni di gradi. Le misurazioni in raggi X dei satelliti Chandra (NASA) e XMM (Europa) indicano qui una quantità di materia oscura cento volte superiore alla materia visibile. Infine, uno strumento recente ha dimostrato la sua efficacia: le lenti gravitazionali, quei miraggi naturali previsti dalla relatività, offrono un potente mezzo per sondare la geometria dell’Universo. Osservando gli effetti di micro-lente, si è potuto stabilire che la materia oscura galattica non è composta da atomi nel senso classico del termine, con nucleo (protoni e neutroni) ed elettroni! Questi oggetti enigmatici sono stati battezzati MACHOs (Massive Halo Compact Objects), e i ricercatori hanno stimato che rappresentano meno del 10% della quantità totale di materia che infesta la nostra galassia. Allora, di cosa è composto il resto del contenuto dell’universo che non corrisponde a nessun nucleo atomico né a nessuna particella nota? Nessuno lo sa, ma si stanno delineando alcune idee. I fisici hanno già un candidato in mente: il neutralino, direttamente uscito dal mondo della supersimmetria (vedi p. 29), un’estensione possibile del «modello standard delle particelle», la cui firma si cerca nei grandi acceleratori. La sua interazione con la materia ordinaria sarebbe molto debole. Oggi, secondo i dati più recenti disponibili, l’Universo che ci circonda si compone così:

70% di energia oscura di natura e composizione sconosciute, che accelera l’espansione ma non si diluisce con essa
25% di materia oscura esotica (neutralini della supersimmetria?) che si diluisce con l’espansione
4,5% di materia ordinaria, la cui parte maggiore è oscura e non brilla. Le stelle e la materia visibile per irradiazione o per assorbimento della luce contano solo per lo 0,5%. Gli elementi chimici pesanti come carbonio, azoto, ossigeno, silicio e ferro rappresentano lo 0,03%. Sono i costituenti della Terra e della vita.
0,3% o meno di materia oscura calda sotto forma di neutrini, abbondanti ma poco massivi.

F.G.

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