La quinta forza e mezza

Avevo intenzione di scrivere solo due righe su una vecchia news...

---

Più tardi, mentre stavo discutendo di problemi cosmologici con Einstein, egli osservò che l'introduzione del termine cosmologico fu il più grande abbaglio della sua vita.⁽²⁰⁾

La prima volta che ho avuto un incontro ravvicinato con una quinta forza è stato a fine settembre 2011 per un seminario di Valeria Pettorino, Interactions in the dark sector: impact on CMB and large scale structure⁽²¹⁾, presso l’Osservatorio Astronomico di Brera. Il modello che la ricercatrice venne a raccontare è semplicemente uno dei tanti che si propone di risolvere il principale dilemma cosmico della nostra epoca: l'esistenza e la natura di materia ed energia oscure.

Un nuovo paradigma cosmico

Distribuzione della materia oscura nell'universo in base alla Millennium simulation

L'idea che nel cosmo ci fosse più di quel che si vede era nota da tempo: da un lato i calcoli sui buchi neri realizzati da Karl Schwarzschild⁽¹⁾ e Johannes Droste⁽²⁾, allievo di Hendrik Lorentz, che prevedevano all’interno della relatività generale di Albert Einstein l'esistenza di una singolarità gravitazionale, ovvero un punto (o una regione) con una densità di massa così alta da generare una curvatura dello spaziotempo tanto grande da impedire persino alla luce di sfuggire alla sua attrazione^{(3, 4)}. Dall'altro, invece, le osservazioni che spinsero Fritz Zwicky⁽⁵⁾ a proporre il concetto di materia oscura⁽⁶⁾.
Le prime forti evidenze dell’esistenza di materia oscura giunsero con lo studio delle proprietà delle galassie, in particolare della loro velocità di rotazione⁽⁷⁾, che da un certo punto in poi invece di decrescere come previsto, restava costante. Tale osservazione era spiegabile solo introducendo una quantità di massa non visibile all'interno della galassia, stimata da Vera Rubin in all'incirca 6 volte maggiore della massa visibile⁽⁸⁾.
Altre misure che permettono di verificare l’esistenza della materia oscura sono quelle sulla velocità di dispersione delle galassie, misure gneriche sugli ammassi di galassie e l’utilizzo della lente gravitazionale, lo studio della radiazione cosmica di fondo e, tra gli altri, le importanti osservazioni sulle supernove di tipo Ia. Il primo studio che si occupò in maniera estensiva di questa classe di stelle, associandole a un processo di espansione accelerata dell'universo, venne pubblicato dal High-Z Supernova Search Team nel 1988⁽⁹⁾ cui fece seguito, l'anno dopo, l'articolo del Supernova Cosmology Project⁽¹⁰⁾, che ne confermava i risultati. L'effetto di tale scoperta, che implicava l'esistenza di un nuovo tipo di energia, chiamata per analogia energia oscura, fu l'assegnazione nel 2011 del Premio Nobel per la fisica a Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess.

La supernova di Keplero

La spiegazione più semplice per l'esistenza dell'energia oscura è nell'introdurre nuovamente nella relatività generale la costante cosmologica, che Einstein aveva inserito nella prima versione dell'equazione della relatività immaginando un universo statico e successivamente cancellato non appena venne a conoscenza delle soluzioni di Alexander Friedmann, che prevedevano un universo in espansione, cosa per altro osservata da Edwin Hubble⁽¹¹⁾. Il modello così prodotto è oggi noto come $\Lambda$-CDM, dove $\Lambda$ è la costante cosmologica. Quest'ultima è l'espressione di una presione negativa che contrasta quella generata dalla gravità prodotta dal contenuto in massa dell'universo.
Di idee alternative a questo modello ne sono state prodotte molte (d'altra parte la fantasia dei fisici teorici non ha limiti!), e una di queste è il così detto modello della quintessenza cosmica.

Osservatorio di Brera: Luce sull'universo

Ripartono, qui a Milano, le attività dell'Osservatorio di Brera per l'autunno 2011. E così, mentre un post nato per pubblicizzare la nuova attività partorita dal gruppo di outreach mi è letteralmente sfuggito di mano (sta crescendo a un ritmo piuttosto rapido!), decido che per la mia sopravvivenza (e sanità mentale!) è giunto il momento di segnalare questa nuova conferenza, che da il titolo al post e fa parte della serie I cieli di Brera, quest'anno dedicata ai 150 anni dell'Unità d'Italia.
La conferenza si terrà il 21 settembre alle 18 presso la Sala delle Adunanze dell'Istituto Lombardo in Palazzo Brera (via Brera, 28). Sarà Valeria Pettorino della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati a raccontare di Luce sull'universo: da LHC alla cosmologia

La nostra comprensione delle leggi fondamentali della natura è basata sul ‘modello standard’, sviluppato negli anni settanta, che descrive con successo la materia che vediamo in termini di particelle fondamentali (quarks e leptoni) e di quattro forze fondamentali che agiscono tra le particelle. Molte domande restano però ancora irrisolte e potranno essere affrontate a breve da esperimenti quali LHC (Large Hadron Collider), l’acceleratore di particelle attualmente operativo al CERN di Ginevra. Perché le particelle hanno massa? Esiste il bosone di Higgs? Le scoperte di LHC, combinate con quelle di altri esperimenti, potranno fornire importanti informazioni anche su un altro degli aspetti della fisica della particelle che il modello standard non riesce a spiegare, con un impatto immediato su uno dei più grandi misteri della cosmologia moderna: la materia oscura. La materia che vediamo è infatti solo una piccola parte del contenuto dell’Universo. Il resto è sotto forma di materia oscura e energia oscura. La scoperta della materia oscura e del suo legame con l’energia oscura getterebbe nuova luce sull’evoluzione dell’universo, sul suo contenuto e sulle proprietà stesse della gravità.

E ora un paio di righe su Valeria: