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<p>Quasi cento anni fa Edwin Hubble, astronomo statunitense, scoprì che l’universo non è statico, come si pensava fino ad allora, ma, al contrario, è in espansione. La scoperta fu fondamentale, ma quella fatta nel 1998 lo è ancora di più: l’universo non solo si sta espandendo, ma la sua espansione è sempre più veloce.<br>
Questo è molto strano. Saremmo naturalmente portati a pensare (e lo si è fatto fino al ’98) che, a causa della reciproca attrazione gravitazionale, le galassie stiano man mano rallentando, e la velocità di espansione diminuendo. La scoperta ha fruttato il premio Nobel per la fisica nel 2011.<br>
Tutto molto bello, se non fosse che ancora non si è capito il perché di questa espansione accelerata.<br>
Ad oggi ci sono due teorie principali che provano a dare una spiegazione.<br>
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<li> Secondo la prima teoria la forza di gravità diventerebbe repulsiva a grandi distanze. Con che intensità e con quali modalità agisca dipende dai modelli teorici che consideriamo.</li>
<li> La seconda (e più accreditata) teoria prevede che nell’universo esista una particolare energia che si oppone all’attrazione gravitazionale, e che fa sì che l’universo si espanda. Poiché non si sa nulla sulla natura di questa energia, è stata chiamata energia oscura. Le osservazioni indicano che dovrebbe costituire all’incirca il 70% dell’universo in termini di energia (o di massa, se preferite: E=mc^2 , ricordate?). </li>
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<p>Come si può essere certi che l’energia oscura (ammesso che esista), sia responsabile dell’espansione accelerata dell’universo? Qual è la sua natura? E se invece la gravità fosse davvero repulsiva? Un progetto dedicato (Dark Energy Survey), mira proprio a gettare una luce su queste domande. Studiando l’universo nel corso dei suoi 14 miliardi di anni di storia, e studiando le grandi strutture in esso presenti (gli ammassi di galassie), il progetto vuole distinguere tra le varie ipotesi sulla natura della materia oscura.<br>
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<p>Prima di proseguire è necessario spiegare quali sono le ipotesi più accreditate sulla natura dell’energia oscura. </p>
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<li>La prima prevede che l’energia oscura sia energia del vuoto. Infatti, la meccanica quantistica prevede che il vuoto non sia mai realmente tale: c’è sempre energia , inoltre è permeato di particelle che appaiono e scompaiono in continuazione. Si parla di particelle virtuali, ma, a dispetto del nome, i loro effetti sono assolutamente reali. La forma di energia che queste particelle trasportano può essere quella necessaria per costituire l’energia oscura. Facendo i conti però, risulta che l’energia del vuoto necessaria per far espandere l’universo al ritmo attuale è 120 ordini di grandezza inferiore a quella teorizzata dalla meccanica quantistica. È un errore bello grosso, che ha spinto i ricercatori verso una nuova ipotesi, la quintessenza.<br>
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<li>L’ipotesi prevede che l’energia oscura assuma la forma di una particella, estremamente leggera. È stata proposta come quinta forza fondamentale, avrebbe un effetto simile a quello dell’energia del vuoto, ma non identico. Per esempio, il suo effetto avrebbe cominciato a manifestarsi dopo nella storia dell'universo, rispetto all’effetto dell’energia del vuoto.</li>
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<p>Questo è il punto importante. Ogni ipotesi (che sia gravità modificata, energia del vuoto o quintessenza),<em><strong> porta con sé differenti modelli di evoluzione dell’universo, e differenti caratteristiche degli oggetti cosmici che già oggi si possono studiare</strong></em>. Facciamo un riassunto delle varie ipotesi che sono in ballo. https://steemitimages.com/DQmdMgyeLpjH8FHgsqMcvTRUyiG1iemWLY6wd4gFE9AaxfW/riassunto%20energia.png</p>
<p>Verranno studiati quattro diversi oggetti/fenomeni, sensibili a qualunque cosa stia accelerando l’universo:<br>
<strong>supernove, onde sonore primordiali, curvatura della luce per effetto della gravità (lente gravitazionale), e il raggruppamento delle galassie in ammassi.</strong></p>
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<h1>Le supernove </h1>
<p>Le supernove sono stelle che esplodono. Ne esistono diversi tipi, ma ce n’è uno in particolare, detto Ia (leggi uno-a), che è molto utile per la misura delle distanze cosmiche. Queste stelle infatti esplodono sempre con la stessa intensità e luminosità. Quindi risolvono un problema fondamentale presente con altri oggetti celesti: a parità di luminosità apparente non possiamo stabilire se sono molto luminosi e lontani o poco luminosi e vicini. Poichè le Ia emettono sempre la stessa quantità di radiazione, se le vediamo molto luminose significa che sono vicine a noi, viceversa sono molto lontane. Conoscendo come varia l’intensità della radiazione elettromagnetica con la distanza possiamo stimare la regione dell’universo nel quale esplodono, e di conseguenza ottenere un vero e proprio righello cosmico.<br>
Inoltre, grazie a particolari telescopi è possibile misurare il redshift, ovvero quanto la luce emessa dalla stella si sia spostata verso la regione rossa dello spettro elettromagnetico visibile. Il redshift dipende dalla velocità relativa dell’oggetto che osserviamo rispetto alla Terra, e dalla distanza dello stesso.<br>
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https://steemitimages.com/DQmX1VVsPT9vQbK8drW7e8bgTEGSZMgNdixqkuKpC6toYo3/Redshift.svg.png </p>
<p>Linee di assorbimento di un gruppo di galassie lontane (a destra) comparate con quelle del Sole, a sinistra. <a href="https://it.wikipedia.org/wiki/Spostamento_verso_il_rosso#/media/File:Redshift.svg">Fonte.</a><br>
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Fornisce indicazioni su quanto la luce sia stata “stirata” dall’espansione dello spazio, e di conseguenza ci dà informazioni sulla dimensione dell’universo al tempo in cui la radiazione è stata emessa dalla stella, e quindi di quanto si è espanso l'universo. (ricordo che la luce impiega un certo tempo dopo l’emissione per arrivare sulla Terra, quindi se osserviamo oggetti lontani guardiamo fenomeni accaduti indietro nel tempo). Questo permette di distinguere tra le varie ipotesi di energia oscura: se la quintessenza è il vero motivo dell’espansione accelerata, allora (visto che come detto il suo effetto si sarebbe manifestato più tardi rispetto all’energia del vuoto), le supernove con un determinato redshif appariranno più luminose, quindi più vicine, rispetto a quanto sarebbero se l’espansione è dovuta all’energia del vuoto.<br>
Un eventuale gravità repulsiva avrebbe altri effetti, che dipendono a seconda del modello adottato. </p>
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<h1>Onde sonore primordiali </h1>
<p>All’inizio della storia dell’universo la sua densità e temperatura era tale che le particelle come elettroni, fotoni o protoni erano accoppiati, e formavano una sorta di plasma. L’energia presente era troppo elevata per permettere la formazione di atomi. In questa situazione, il plasma ha un comportamento molto simile a quello di un fluido, nel quale è possibile la propagazione di onde di pressione, ossia acustiche, che venivano generate dalla competizione tra due forze opposte: la gravità, che tende ad aggregare la materia, e la radiazione elettromagnetica, che sortiva l’effetto contrario.<br>
Quando l’universo si raffreddò a sufficienza per permettere la formazione di atomi cessò anche la propagazione di queste onde. A causa dell’espansione, la distanza che le onde hanno percorso ci appare di 480 milioni di anni luce. Questa distanza è peculiare. Le galassie che formano una coppia mostrano una lieve tendenza ad essere separate da questa precisa distanza, ma non da altre. Visto che questa distanza è “costante” (le virgolette sono d’obbligo, perché è una misura indicativa: statisticamente le galassie in coppia sono separate da quella distanza, ma è, appunto, statistica.), allora misurando la grandezza angolare delle sistema delle due galassie (ovvero quanto grande ci appare nel cielo la distanza che le separa), possiamo risalire alla distanza della Terra da esse. https://steemitimages.com/DQmQ36T7E9GvS7XSPoA6k2quqqFWqgTbmxcdbUWkKcQzr1S/sesde.png<br>
Più la distanza è grande, minore è l'angolo apparente che formano i due oggetti nel cielo.<br>
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Poi si può confrontare questa distanza con il redshift, esattamente come le supernove. Di nuovo, se la quintessenza fosse la risposta giusta, le galassie con un dato redshift apparirebbero più vicine di quanto non sarebbe se la causa dell’espansione accelerata fosse dovuta all’energia del vuoto. Altri scenari invece se fosse colpa di un diverso funzionamento della gravità. </p>
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<h1>Lenti gravitazionali</h1>
<p>La relatività generale prevede che il percorso del la luce venga deviato da grandi concentrazioni di massa. Questo effetto prende il nome di “lente gravitazionale”. In alcuni casi estremi le galassie più lontane possono apparire come degli anelli, oppure si osservano immagini multiple della stessa galassia. https://steemitimages.com/DQmWXdxKcLpDwRXF2koBJMgoapjsAp43284eHkUkFmjrWyd/A_Horseshoe_Einstein_Ring_from_Hubble.JPG<br>
Un "anello di Einstein". <a href="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/11/A_Horseshoe_Einstein_Ring_from_Hubble.JPG">Fonte. </a></p>
<p>Nella maggioranza dei casi però, l’effetto di distorsione è debole. Studiando come viene deviata la luce, è possibile determinare la concentrazione di massa che si frappone tra la Terra e le galassie osservate. Questa concentrazione è sensibile alla “competizione” tra energia oscura e gravità. Misurando la forma di oltre 200 milioni di galassie, sarà possibile ottenere la mappa più accurata mai fatta sulla distribuzione di materia dell’universo.<br>
Ebbene, se ad agire fosse la quintessenza, l’aggregazione di materia in epoche in cui l’universo era giovane sarebbe maggiore rispetto a uno scenario in cui agisce l’energia del vuoto. </p>
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<h1>Ammassi di galassie </h1>
<p>L’ultima arma a disposizione dei ricercatori sono gli ammassi di galassie. Sono oggetti immensi, i più grandi dell’universo, tra quelli che mantengono un legame gravitazionale. L’obbiettivo è la ricerca di migliaia di ammassi di galassie, dai più vicini ai più lontani, anche miliardi di anni luce. Come prima, se a guidare l’espansione dell’universo fosse la quintessenza sarebbe atteso un maggior numero di ammassi nell’universo primordiale, rispetto all’ipotesi in cui ad agire è l’energia del vuoto. Se invece la gravità funzionasse in modo diverso da come descritto dalla Relatività Generale, allora il quadro sarebbe ancora differente.<br>
https://steemitimages.com/DQma6YYDTPSBf4PF7cYGxmEFKLMj9rwr2NYkeqeKLwS271E/Taurus_Void_-_Laniakea_Supercluster.png<br>
Laniakea in hawaiano significa "immenso paradiso". È un superammasso di galassie, tra cui la Via Lattea sparse in una regione di 520 milioni di anni luce. <a href="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/11/Taurus_Void_-_Laniakea_Supercluster.png">Fonte.</a><br>
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<p>Lo strumento fondamentale per questa ricerca è la Dark Energy Camera, un aggeggio da 570 megapixel, con un campo visivo molto ampio, ideale per catturare regioni molto estese dell’universo. È installata sul Victor M. Blanco Telescope, in Cile. Avere quattro diversi approcci è utile perchè ognuno è sensibile a errori differenti, e questo riduce le probabilità di prendere un abbaglio.<br>
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Energia del vuoto o quintessenza? Gravità modificata? Staremo a vedere ;)<br>
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<p>Ciao!<br>
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Fonti:<br>
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<li>https://www.darkenergysurvey.org/</li>
<li><a href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.051301">https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.051301</a></li>
<li>Le Scienze n. 569, Gennaio 2016</li>
<li>https://www.astronomia.com/tag/onde-sonore-primordiali/</li>
<li><a href="http://hubblesite.org/hubble_discoveries/dark_energy/de-what_is_dark_energy.php">http://hubblesite.org/hubble_discoveries/dark_energy/de-what_is_dark_energy.php</a></li>
<li>http://iopscience.iop.org/article/10.1086/379122/meta<br>
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