L’energia oscura è un’ipotetica forma di energia che esercita una pressione negativa e repulsiva, comportandosi come l’opposto della gravità. È stata ipotizzata per spiegare le proprietà osservative delle supernovae di tipo Ia, che mostrano l’universo in un periodo di espansione accelerata. Come la materia oscura, l’energia oscura non viene osservata direttamente, ma piuttosto dedotta dalle osservazioni delle interazioni gravitazionali tra oggetti astronomici.
Credito: Swinburne
L’energia oscura costituisce il 72% della densità totale di massa-energia dell’universo. L’altro contributore dominante è la materia oscura, e una piccola quantità è dovuta agli atomi o alla materia barionica.
Nel 1998 due team di astronomi hanno annunciato che le supernove di tipo Ia, distanti z~1, erano leggermente troppo deboli rispetto alle previsioni dei modelli di un universo in espansione (ma in rallentamento). Per essere più deboli, le supernovae devono essere più lontane e questo richiede che l’espansione dell’universo sia stata più lenta in passato. Entrambi i team hanno convenuto che l’universo sta attraversando una fase di espansione accelerata. L’energia oscura è stata invocata per guidare questa accelerazione.
Nella prima parte del XX secolo Albert Einstein aveva invocato una ‘costante cosmologica’, (di solito simboleggiata dalla lettera greca lambda, Λ). Si trattava di un’energia del vuoto dello spazio vuoto, che manteneva l’universo (previsto dalle sue equazioni di campo della Teoria della Relatività Generale) statico, piuttosto che contrarsi o espandersi. Essa forniva un modo per bilanciare la contrazione gravitazionale causata dalla materia. Una volta che l’universo fu osservato in espansione, Einstein rimosse frettolosamente la sua costante cosmologica. Tuttavia, se l’energia oscura è descritta da qualcosa di simile alla costante cosmologica di Einstein, non si limita a bilanciare la gravità per mantenere un universo statico, ma esercita una pressione negativa per far accelerare l’espansione.
Sono stati proposti altri tipi di energia oscura, compreso un campo cosmico associato all’inflazione e un campo diverso, a bassa energia, soprannominato “quintessenza”.
Si pensa che anche l’universo primordiale abbia attraversato un periodo di rapida espansione, chiamato inflazione. L’inflazione, avvenuta circa 10-36 secondi dopo il Big Bang, ha agito per appianare l’universo e renderlo geometricamente piatto. Se la densità dell’universo è esattamente uguale alla densità critica, allora la geometria dell’universo è piatta come un foglio di carta. Per un universo dominato dalla materia, la densità critica (equivalente a circa 6 protoni per m3) si trova esattamente tra la densità richiesta per un universo pesante che alla fine collasserà, e la densità richiesta per un universo leggero che si espanderà per sempre. Quando gli astronomi misurano la quantità di materia ed energia nell’universo oggi, ottengono solo circa il ~30% di ciò che è necessario per rendere l’universo piatto. L’aggiunta dell’energia oscura al bilancio massa-energia rende l’universo piatto. La versione più semplice dell’inflazione prevede che la densità dell’universo sia molto vicina alla densità critica.
La sonda WMAP ha misurato la geometria dell’universo. Se l’universo fosse piatto, le fluttuazioni di fondo cosmico a microonde più luminose (o “macchie”) avrebbero un diametro di circa 1 grado. WMAP ha confermato questa dimensione delle macchie con una precisione molto elevata. Ora sappiamo che l’universo è piatto con solo il 2% di margine di errore.
Credito: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) e l’High-z Supernova Search Team e la NASA
La quintessenza viene dagli antichi greci che usavano il termine per descrivere un misterioso ‘quinto elemento’ – oltre ad aria, terra, fuoco e acqua. Mentre la costante cosmologica è una forma specifica di energia, un’energia del vuoto, la quintessenza è dinamica, in evoluzione nel tempo e una forma di energia dipendente dallo spazio. È un campo quantico con energia cinetica e potenziale.
A seconda del rapporto delle due energie e della pressione che esercitano, la quintessenza può attrarre o respingere. Ha un’equazione di stato (relativa alla sua pressione p e densità ρ) di p = wρ, dove w è uguale all’equazione di stato della componente energetica che domina l’universo. Se w subisce una transizione a meno di -1/3, ciò dà inizio a un’espansione accelerata. Al contrario, una costante cosmologica è statica, con una densità di energia fissa e w = -1.
Ci sono una serie di programmi in corso volti a scoprire di più sull’Energia Oscura. Uno di questi studi riguarda la misurazione delle Oscillazioni Acustiche Barioniche (BAO).
Sono state proposte alternative all’Energia Oscura. Alcuni scienziati hanno proposto che la nostra Galassia si trovi all’interno di una regione di bassa densità causata dal passaggio di un’onda di densità. Il Big Bang potrebbe aver creato questa onda su larga scala nello spazio-tempo. Mentre quest’onda primordiale si muoveva attraverso l’universo, ha lasciato dietro di sé un’increspatura a bassa densità di diverse decine di milioni di anni luce, in cui ora risiede la Galassia. Anche se possibile, questa differenza nelle proprietà dello spazio-tempo violerebbe il principio copernicano che afferma che l’universo, su larga scala, è omogeneo.