Come Hubble ha cambiato la nostra visione dell'universo e l'espansione dello spazio-tempo

Nel 1924, un giovane astronomo di nome Edwin Hubble, all'Osservatorio di Mount Wilson in California, compì una scoperta che avrebbe rivoluzionato la nostra comprensione dell'universo. Armato del telescopio più grande e potente dell'epoca, il telescopio Hooker da 2,5 metri, Hubble si dedicò con passione all'osservazione del cielo notturno californiano, un impegno che avrebbe segnato tutta la sua carriera e portato a scoperte straordinarie. Una delle sue prime ossessioni fu Andromeda, una vasta nube di luce nel cielo, che fino ad allora era considerata solo una collezione di gas e polveri all'interno della nostra galassia.

Nel 1924, Hubble scoprì delle stelle variabili all'interno di questa nube, i Cefeidi, e misurò la loro distanza dalla Terra. Realizzò che la distanza era molto maggiore di quella che si riteneva appartenesse alla Via Lattea. Queste stelle erano così lontane che dovevano trovarsi oltre i confini della nostra galassia. La scoperta di Andromeda come galassia separata segnò una vera e propria rivoluzione. Fino ad allora, si credeva che la Via Lattea fosse l'intero universo. Ma Hubble, con questa scoperta, aprì una nuova realtà: l'universo non si limitava più alla Via Lattea, ma si estendeva oltre, in modo inaspettato e sconfinato.

Nel 1929, Hubble fece un altro passo importante nella comprensione dell'universo, analizzando le osservazioni delle distanze delle galassie e i dati sulla luce emessa da esse, raccolti da Vesto Slipher e altri fisici. Si rese conto di un fenomeno straordinario: più una galassia è lontana, più velocemente sembra allontanarsi da noi. Questo fenomeno si manifesta chiaramente attraverso il redshift nei loro spettri. Quando una sorgente di luce si allontana da un osservatore, si verifica un allungamento delle lunghezze d'onda, facendo spostare la luce verso la parte rossa dello spettro elettromagnetico.

Misurando la dinamica del movimento di allontanamento delle galassie, Hubble comprese che esiste una relazione tra la distanza delle galassie e la velocità con cui si allontanano: più una galassia è distante, più velocemente "scappa". Questa semplice relazione divenne nota come la legge di Hubble, espressa dalla formula matematica v = Hd, dove v è la velocità della galassia, d è la sua distanza dall'osservatore e H è una costante universale chiamata costante di Hubble. Misurando la distanza di una galassia (compito complesso), possiamo calcolare la velocità del suo allontanamento moltiplicandola per la costante H.

Con il valore attuale della costante di Hubble, circa 70 chilometri al secondo per megaparsec, possiamo stabilire che le galassie a 100 milioni di anni luce di distanza si allontanano a una velocità di circa 5 milioni di miglia orarie, mentre quelle a 300 milioni di anni luce si allontanano a circa 15 milioni di miglia orarie. Tuttavia, è importante comprendere che questa percezione del movimento delle galassie non è dovuta al loro movimento individuale. Non stanno davvero "fuggendo"; è lo spazio-tempo stesso ad espandersi. È la dinamica dell'universo che spinge le galassie a separarsi. Lo spazio-tempo si espande, e la distanza tra le galassie aumenta. Un’analogia utile potrebbe essere quella di un pallone deflato: se lo gonfiamo, la distanza tra i punti tracciati sulla sua superficie cresce, ma le dimensioni dei punti stessi non cambiano. Allo stesso modo, le galassie si allontanano l'una dall'altra, ma le loro dimensioni non cambiano.

L'espansione dell'universo non significa che la Terra si stia allontanando dal Sole o che le galassie stiano cambiando forma. Piuttosto, è l'energia che riempie l'universo a causare questa espansione, trascinando le galassie con sé. La teoria della relatività generale di Einstein, che già esisteva all'epoca, fornì il modello matematico che spiegava in modo elegante e coerente le osservazioni di Hubble sull'espansione dell'universo. Nel 1931, Einstein incontrò Hubble a Mount Wilson e lo ringraziò per il suo lavoro, ammettendo che il tentativo di difendere l'idea di un universo statico fosse stato "il più grande errore della sua vita". L'anno successivo, Einstein adottò esplicitamente il modello dell'universo in espansione e, nel 1932, collaborò con il fisico teorico olandese Willem de Sitter per proporre un modello cosmologico di un universo in continua espansione.

La teoria dell'universo in espansione ha impiegato molto tempo a essere accettata, e quando l'espressione "Big Bang" fu usata per la prima volta, fu con intento sarcastico. Fu l'astronomo britannico Sir Fred Hoyle a coniarla, descrivendo quella teoria che egli stesso considerava discutibile. L'idea che tutta la materia dell'universo fosse stata creata in un unico grande scoppio, in un tempo remoto, suscitò scetticismo. Ma, alla fine, l’evidenza raccolta da Hubble cambiò il corso della storia scientifica, portando alla nascita della moderna cosmologia.

Cosa sono le particelle di antimateria e come potrebbero risolvere il mistero dell'universo?

L'antimateria è un concetto che da sempre ha affascinato la mente umana, spingendo gli scienziati e gli scrittori di fantascienza a immaginare universi paralleli e scenari apocalittici. La sua esistenza, sebbene confermata in laboratorio, è ancora avvolta da numerosi misteri e domande senza risposta. Non c'è infatti un meccanismo conosciuto che possa convertire la materia in antimateria o viceversa. Non esiste una sorta di interruttore che permetta di passare da una forma all'altra. Tuttavia, un'altra possibilità si fa strada: quella dell'invocazione del neutrino.

I neutrini, queste particelle evanescenti e misteriose, potrebbero essere i supereroi che salveranno il mondo dalla comprensione del cosmo. L'antimateria, grazie alla sua intrigante natura, è diventata una delle protagoniste più in voga nella narrativa scientifica e popolare. Nel thriller fantascientifico e religioso di Dan Brown, Angeli e Demoni, una setta segreta, gli Illuminati, tenta di distruggere il Vaticano con una bomba di antimateria. Ciò che risulta ancora più fantastico della bomba stessa è il fatto che i cattivi siano riusciti a rubare un quarto di grammo di antimateria (dalla CERN), necessario per innescare l'esplosione. Tuttavia, ciò che Brown non menziona è che produrre un quarto di grammo di antimateria richiederebbe centinaia di milioni di anni. Questo dimostra quanto l'antimateria sia distante dalla realtà quotidiana.

Nel celebre universo di Star Trek, l'astronave Enterprise viaggia più veloce della luce sfruttando l'annichilazione reciproca tra atomi di deuterio e antideuterio. I robot di Isaac Asimov sono in grado di pensare grazie a un cervello positronico, mentre i Fantastici Quattro della Marvel scoprono la chiave della Zona Negativa, un mondo parallelo composto esclusivamente di antimateria, invertendo la polarità di tutte le loro molecole.

In tomografia a emissione di positroni (PET), la presenza di cellule tumorali viene rilevata iniettando una sostanza metabolica attiva etichettata con radioisotopi emittenti di positroni che decadono rapidamente. E se un giorno fosse possibile iniettare una certa quantità di antiprotoni nel tessuto dove si trova un tumore, le annichilazioni all'interno delle cellule tumorali rilasceranno energia e le distruggeranno.

Una recente scoperta potrebbe rivelarsi di fondamentale importanza per risolvere il mistero dell'antimateria: si tratta di una delle particelle più elusive del Modello Standard: il neutrino. Questo fu ipotizzato da Wolfgang Pauli nel 1930 per spiegare il decadimento beta, un processo fondamentale nelle reazioni nucleari. Ci sono voluti decenni prima che venisse scoperto sperimentalmente nel 1956 dai fisici Clyde Cowan e Fred Reines. La causa di questa difficoltà risiede nella natura sfuggente dei neutrini: privi di carica elettrica, con massa minima e difficili da misurare con precisione. Essi attraversano le galassie senza essere disturbati, interagendo molto debolmente con la materia, portando con sé informazioni intatte su eventi energetici estremi come le esplosioni di supernova, i processi di fusione all'interno delle stelle e l'impatto dei raggi cosmici sull'atmosfera terrestre.

Nel cuore della miniera di Kamioka, situata nelle montagne ad ovest di Tokyo, esiste un luogo incredibile, una sorta di tempio dedicato alla ricerca sull'antimateria. Si tratta del Super-Kamiokande, un laboratorio che ha il compito di studiare i neutrini e altre particelle elementari. Questo luogo è straordinario non solo per il suo contenuto scientifico ma anche per la sua bellezza: migliaia di sfere d'oro ricoprono le pareti del laboratorio, mentre 50.000 tonnellate di acqua pura e trasparente riflettono la luce proveniente da ogni angolo. Qui, grazie alla grande quantità di acqua, aumentano le probabilità di rilevare i neutrini che interagiscono con la materia. Ogni tanto, un neutrino collide con un atomo di acqua e produce luce, che viene catturata da speciali fotomoltiplicatori. Questo esperimento cerca di osservare un attributo speciale dei neutrini: il loro "gusto", o "flavor", che può variare da muone a elettrone, a tau, mentre i neutrini attraversano l'universo.

Cos'è l'Energia Oscura e Come Modella il Destino dell'Universo?

Il concetto di energia oscura emerge come una delle questioni più affascinanti e misteriose nella cosmologia contemporanea, capace di modellare l'evoluzione dell'universo a una scala vastissima, con implicazioni che sfidano le leggi fisiche conosciute. Un'entità invisibile e aliena che agisce come un antagonista al potere di attrazione della materia, accelerando l'espansione dell'universo mentre la gravità cerca di rallentarla. Scoperte fondamentali, come quelle di Perlmutter, Riess e Schmidt, hanno rivelato l'accelerazione dell'espansione cosmica, rimettono in gioco un concetto che Einstein aveva introdotto nel suo lavoro più di 80 anni prima, la cosiddetta costante cosmologica (Λ), che inizialmente aveva aggiunto forzatamente nelle sue equazioni per mantenere un universo statico.

Oggi, comprendere la vera natura della costante cosmologica è fondamentale: essa è ormai diventata un parametro essenziale nei modelli cosmologici, in quanto rappresenta una forza repulsiva costante, il cui valore varia in base al modello teorico adottato. Affascinante è anche il concetto che essa potrebbe dipendere, almeno in parte, dall'energia del vuoto. Contrariamente a quanto si possa pensare, il vuoto nello spazio non è realmente vuoto. Le fluttuazioni quantistiche generano la nascita e l'annichilazione di particelle e antiparticelle, fenomeno che, sebbene di breve durata, lascia una traccia nell'universo. Su scala cosmologica, questa attività produce una densità energetica media, che permea uniformemente lo spazio-tempo "vuoto". In un certo senso, la costante cosmologica potrebbe essere vista come un'energia del punto zero, l'energia che risulta dallo stato fondamentale di tutte le possibili energie degli stati delle particelle e dei campi dell'universo.

La dark energy, o energia oscura, sembra essere una sorta di pressione negativa, che accelera l'espansione dell'universo. È una forma di energia che permea l'universo, non si aggrega, mantiene la stessa densità in ogni punto dello spazio e del tempo, e non si diluisce con l'espansione dell'universo. Questa invarianza nel tempo è ciò che giustifica la designazione della costante cosmologica come la forma più semplice di energia oscura. Non essendo trasportata da particelle o materia, la dark energy è presente nell'universo fin dai suoi primissimi momenti. Tuttavia, è stata necessaria molta evoluzione affinché questa energia si imponesse. Nei primi momenti dell'universo, gran parte dell'energia era trasportata dalla radiazione, ma, man mano che l'universo si espandeva, la radiazione si diluiva più rapidamente della materia, lasciando quest'ultima predominante. Più tardi, quando la materia ha cessato di essere dominante, è stata l'energia oscura a subentrare, con il suo carattere unico di non diluirsi mai.

L'osservazione di una vasta porzione dell'universo è fondamentale per comprendere l'impatto delle componenti oscure. A tal fine, il telescopio spaziale Euclid dell'ESA sta cercando di ricostruire una mappa tridimensionale dell'universo, per analizzare come la materia oscura e l'energia oscura influenzino la sua forma e struttura. Altre missioni, come il telescopio WFIRST della NASA, il Dark Energy Survey (DES) negli Stati Uniti e il Vera Rubin Telescope in Cile, contribuiranno a queste osservazioni. I dati provenienti da Euclid potrebbero permettere di testare modifiche alla teoria della relatività generale, e verificare se sia necessario trovare una spiegazione alternativa per ciò che interpretato come energia oscura.