Le Scienze, n. 367

34 Pages·1999·16.9 MB·Italian

Il mistero delle supernove lontane
della luce, consentendo di formulare previsioni su co-
Esplosioni stellari osservate su immense distanze fanno
se concrete, che si possono realmente misurare.
pensare che l'espansione cosmica stia accelerando: Prima della pubblicazione della teoria di Einstein,
nel 1916, e delle prime osservazioni dell'espansione
un segno che l'universo potrebbe essere disgregato cosmica nel decennio successivo, la maggior parte de-
gli scienziati riteneva che l'universo avesse sempre
da una nuova, esotica forma di energia conservato le stesse dimensioni; anzi, Einstein stesso
diffidò delle proprie equazioni quando si accorse che
implicavano un universo dinamico. Ma nuove misu-
razioni dei moti delle galassie, compiute da Edwin P.
Hubble e da altri, non lasciavano adito a dubbi: le
di Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner e Nicholas B. Suntzeff galassie deboli e lontane stavano allontanandosi dal-
la Terra a velocità maggiore di quelle lumi-
nose e vicine, confermando la previsione,
fornita dalla relatività generale, di un uni-
Molto tempo fa (circa 5 miliardi di verso che si gonfia e allontana via via le ga-
anni) in una galassia lontana lassie l'una dall'altra. Questi ricercatori mi-
-a_ lontana (circa 2000 megaparsec), surarono le velocità di allontanamento delle
una stella esplose con un lampo un miliardo galassie dallo spostamento delle righe dello
di volte più luminoso del Sole. La sua luce si spettro visibile verso lunghezze d'onda mag-
diffuse nello spazio, affievolendosi e «stiran- giori (il cosiddetto redshift o spostamento
dosi» con l'espansione del cosmo, e final- verso il rosso). Sebbene venga comunemente
mente una parte di essa raggiunse la Terra. attribuito all'effetto Doppler - il fenomeno
Per una decina di minuti, durante una notte responsabile del cambiamento di tonalità di
buia del 1997, qualche centinaio di fotoni una sirena che passa - il redshift cosmologi-
provenienti da questa supernova raggiunse co deve più correttamente essere pensato co-
lo specchio di un telescopio in Cile. Un com- me il risultato dell'espansione in corso del-
puter dell'osservatorio creò un'immagine di- l'universo, che stira le lunghezze d'onda del-
gitale che mostrava l'arrivo di questo minu- la luce passante fra le galassie. La radiazione
scolo lampo di luce. A guardarlo non faceva emessa dagli oggetti più lontani, essendosi
molta scena, ma questo fioco puntino fu per propagata per un tempo più lungo, è più
noi una visione entusiasmante: un nuovo fa- spostata verso il rosso rispetto a quella pro-
ro per esplorare lo spazio e il tempo. veniente da sorgenti vicine.
Noi e molti colleghi di tutto il mondo ab- La tecnologia disponibile ai tempi di Hub-
biamo già registrato l'arrivo della luce emes- ble limitava lo studio dell'espansione cosmi-
sa da decine di supernove, e abbiamo utiliz- ca a galassie relativamente vicine. Nel tempo
zato queste osservazioni per cartografare la che era occorso alla luce di questi oggetti vi-
configurazione dell'universo e ricostruirne cini per raggiungere la Terra, l'universo si era
l'espansione. Ma ciò che, insieme con un al- ingrandito solo di una minuscola frazione
tro gruppo di astronomi, abbiamo osserva- della sua dimensione totale. Per cambiamen-
to recentemente mette in dubbio decenni di ti così modesti, il redshift è direttamente pro-
nozioni consolidate: sembra infatti che l'u- porzionale alla distanza; il rapporto fisso fra
niverso sia più grande e più vuoto di quanto i due è chiamato costante di Hubble e denota
si immaginasse. Inoltre la sua continua e- l'attuale velocità di espansione dell'universo.
spansione non sta rallentando come molti Ma gli astronomi hanno previsto già molto
cosmologi avevano previsto: anzi, sembra
addirittura che stia diventando più rapida.
Dov'è la supernova? Questa coppia di immagi-
Deformazioni stellari
ni, realizzata dal gruppo degli autori usando il
La storia dell'espansione cosmica è stata Bianco Telescope da quattro metri del Cerro
un tema di vivo interesse per gran parte di Tololo Inter-American Observatory in Cile, ha
questo secolo, dato che ha conseguenze rile- permesso di scoprire una supernova lontana.
vanti sia per la geometria dell'universo sia Nell'immagine a destra, ottenuta tre settimane
per la natura dei suoi costituenti: materia, lu- dopo quella a sinistra, la supernova altera leg-
ce e forse altre e più elusive forme di energia. germente, ma visibilmente, l'aspetto di una delle
La teoria generale della relatività di Einstein galassie. Riuscite a trovare quale? Alcune diffe-
collega queste fondamentali proprietà dell'u- renze sono causate dalla variazione delle condi-
niverso e descrive in che modo esse influenzi- zioni atmosferiche. Per controllare l'identifica-
no il moto della materia e la propagazione zione, confrontate l'immagine a pagina 42.
40 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 41
diarle accuratamente. Negli ultimi anni, questo lavoro ha In pratica, la ricerca di esplosioni stellari dà il via a una
tenuto occupati sia il nostro gruppo di ricerca, soprannomi- frenetica attività a terra, perché richiede l'acquisizione e il
nato «Team alto-Z» (dalla lettera che gli astronomi usano confronto di centinaia di grandi immagini digitali alla massi-
per indicare il redshift), una collaborazione informale orga- ma velocità possibile. «Requisiamo» calcolatori in tutto l'os-
nizzata nel 1995 da Brian P. Schmidt del Mount Stromlo servatorio di Cerro Tololo allo scopo di allineare le immagi-
and Siding Spring Observatories in Australia, sia un gruppo ni, correggere le differenze di trasparenza atmosferica e di-
chiamato Supernova Cosmology Project, che ha avuto ini- mensione dell'immagine ed effettuare la sottrazione. Se tutto
zio nel 1988 ed è diretto da Saul Perlmutter del Lawrence va bene, la maggior parte delle galassie scompare, lasciando
Berkeley National Laboratory. solo un poco di «rumore» nell'immagine differenza. Segnali
Sebbene i due gruppi abbiano programmi indipendenti, più intensi indicano oggetti nuovi o modificati, come stelle
entrambi sfruttano la stessa innovazione fondamentale: l'in- variabili, quasar, asteroidi e, in qualche caso, supernove.
stallazione di grandi fotorivelatori elettronici su telescopi gi- Il nostro software registra la posizione dei nuovi oggetti e
ganti, una combinazione che produce immagini digitali di tenta di identificare quelli che sono veramente supernove.
oggetti deboli in ampie zone del cielo. Un esempio impor- Ma le verifiche automatiche sono imperfette, e dobbiamo e-
tante di questa nuova tecnologia (di cui si sono serviti en- saminare manualmente le immagini con grande attenzione
trambi i gruppi di ricerca) è la Big Throughput Camera, per essere certi dell'identità di una possibile supernova. Dato
realizzata da Gary M. Bernstein dell'Università del Michi- che un'eventuale scoperta deve essere segnalata immediata-
gan e J. Anthony Tyson della Lucent Technologies. Quan- mente ad altri telescopi, l'analisi deve essere rapida. In questi
do questo dispositivo è posto nel fuoco del Bianco Telesco- momenti, l'osservatorio diventa una bolgia di astronomi e
pe da quattro metri presso il Cerro Tololo Inter-American studenti, che lavorano 24 ore su 24 per giorni di seguito, so-
Observatory in Cile, basta una sola esposizione per coprire stenuti solo dall'entusiasmo e da qualche fetta di pizza.
un'area grande pressappoco quanto la Luna piena e ottene- Puntiamo poi sugli oggetti che sono i migliori candidati a
re un'immagine di circa 5000 galassie in 10 minuti. supernova i più grandi strumenti ottici del mondo, i moder-
Per trovare supernove lontane è sufficiente riprendere im- nissimi telescopi Keck, ad Hawaii. Queste osservazioni so-
magini della stessa regione di cielo a qualche settimana di di- no fondamentali per stabilire se gli oggetti scoperti sono ef-
stanza e cercare variazioni che potrebbero segnalare un'e- fettivamente supernove di tipo la, valutarne più esattamen-
tempo fa che le galassie più lontane si discostino da questo La supernova lontana, con redshift z = 0,66, è indicata dalla
splosione stellare. Poiché i fotorivelatori digitali sono in gra- te la luminosità intrinseca e determinarne il redshift.
semplice rapporto fra redshift e distanza, perché la velocità freccia. L'esplosione di questa stella altera solo alcuni elementi
do di contare esattamente il numero di fotoni in ciascun ele-
di espansione è cambiata nel tempo o perché lo spazio inter- dell'immagine ripresa dopo l'evento.
mento di immagine, sottraiamo semplicemente la prima im- Il lato oscuro
corrente è interessato da deformazioni. Misurare questo ef-
magine dalla seconda e cerchiamo eventuali scarti significati-
fetto è dunque un obiettivo importante per i cosmologi; è
vi dallo zero. Dato che in ciascuna coppia di immagini si Altri membri del nostro gruppo, lavorando con telescopi
però un compito difficile, in quanto richiede di calcolare Per quanto spettacolare sia questa trasformazione finale, la
controllano migliaia di galassie, si può essere certi che, esa- in Australia, in Cile e negli Stati Uniti, seguono a loro volta
esattamente la distanza di galassie estremamente remote. stella progenitrice è del tutto ordinaria: una sfera stabile di
minandone diverse coppie, si troveranno molte supernove, queste supernove per misurare come la loro luminosità rag-
Hubble e gli altri pionieri stimavano le distanze delle va- gas i cui strati esterni sono sostenuti dalla pressione dovuta
ammesso che le condizioni atmosferiche siano buone. Fortu- giunga un picco e poi decada lentamente. La campagna os-
rie galassie assumendo che avessero tutte la stessa lumino- al calore prodotto dalle reazioni nucleari nel suo centro, che
sità intrinseca. Secondo questa logica, quelle che appariva- trasformano l'idrogeno in elio, carbonio, ossigeno, neon e natamente il sito dell'osservatorio - ai piedi delle Ande al servativa riguardante una singola supernova dura mesi, e per
margine meridionale del Deserto di Atacama (uno dei luoghi l'analisi finale spesso si deve attendere un anno o più, quando
no brillanti erano relativamente vicine, mentre quelle fioche altri elementi. Quando la stella termina il proprio combusti-
più aridi del mondo) - di solito garantisce un cielo sereno. la luce della stella esplosa è del tutto scomparsa, permetten-
dovevano essere lontane. Ma questo è vero solo in termini bile e muore, le ceneri nucleari sono compresse dalla forza
estremamente generali, perché le galassie differiscono nelle di gravità fino a raggiungere dimensioni non superiori a Sperando di poter fare qualche buona scoperta, prenotiamo doci di ottenere una buona immagine della galassia ospite.
tempo di osservazione in anticipo rispetto ad altri telescopi Questa viene utilizzata per sottrarre la luminosità costante
loro proprietà. L'ipotesi, inoltre, cade del tutto nel caso di quelle della Terra e una densità pari a un milione di volte
sorgenti lontane, la cui luce impiega tanto tempo per rag- quella della materia ordinaria. situati in tutto il mondo, in modo che le successive misura- della galassia dalle immagini della supernova. Le migliori mi-
giungere la Terra da rivelarci le galassie com'erano miliardi La maggior parte di questi residui - che prendono il nome zioni possano cominciare prima che la supernova svanisca. surazioni sono quelle eseguite dallo Hubble Space Telescope,
di anni fa (ossia nella loro giovinezza); la loro luminosità in- di nane bianche - si limita a raffreddarsi e a sparire a poco a
trinseca poteva quindi essere molto differente da quella del- poco. Ma se la nana orbita intorno a una stella compagna,
le galassie mature a noi più vicine. È difficile districare que- può sottrarle materia e accrescersi, diventando sempre più
sti cambiamenti evolutivi dagli effetti dell'espansione, cosic- densa fino a che si ha l'ignizione di una «tempesta» termo-
ché gli astronomi hanno cercato a lungo altre «candele nucleare incontrollata. Il cataclisma nucleare distrugge com-
campione» la cui luminosità intrinseca sia meglio nota. pletamente la stella nana, espellendo materia alla velocità di
Per essere visibili a miliardi di anni luce di distanza, que- circa 10 000 chilometri al secondo. La luminosità della palla
sti «fari» devono essere davvero brillanti. Nei primi anni di fuoco in espansione impiega circa tre settimane a raggiun-
settanta, alcuni ricercatori tentarono di sfruttare i quasar, gere il picco e poi declina in un periodo di alcuni mesi.
che sono sorgenti di energia immensa (probabilmente ali- Queste supernove variano leggermente per luminosità,
mentate da buchi neri che inghiottono stelle e gas). Ma i ma rispettano uno schema generale: le esplosioni maggiori e
quasar da loro studiati si rivelarono ancora più diversificati più luminose durano un po' più di quelle deboli. Perciò, ri-
delle galassie, e quindi poco utili. levando la durata di un'esplosione ed effettuando le oppor-
Sempre a quell'epoca, altri astronomi cominciarono a esa- tune correzioni, si può calcolarne la luminosità intrinseca
minare l'idea di usare le supernove come candele campione con una precisione del 12 per cento. Nell'ultimo decennio
per gli studi cosmologici. Questo metodo ha suscitato contro- lo studio di supernove di tipo la vicine con rivelatori mo-
versie perché anche le supernove mostrano ampie variazioni derni ha fatto sì che esse divenissero le candele campione
nelle loro proprietà. Ma nello scorso decennio ricerche con- meglio calibrate che siano note agli astronomi.
dotte da membri del nostro gruppo hanno permesso di deter- Una di queste candele si accende in una tipica galassia
minare con grande precisione la luminosità intrinseca di una circa una volta ogni 300 anni. Quindi, sebbene queste e-
specie di supernove: precisamente, quelle di tipo la. splosioni stellari siano eventi celesti rari nella Via Lattea, te-
L'espansione cosmica potrebbe, in teoria, seguire uno tra questi tre semplici schemi:
nendo sotto controllo qualche migliaio di galassie si può
potrebbe essere costante (a sinistra), in decelerazione (al centro) o in accelerazione (a
Stella della morte prevedere di individuare una supernova di tipo la circa una
destra). In ciascun caso, una data porzione di universo aumenta di dimensioni via via
volta ogni mese. In effetti, nell'universo vi sono così tante
Che cos'è una supernova di tipo la? Essenzialmente, è galassie che, da qualche parte nel cielo, compaiono ogni po- che il tempo passa (dal basso verso l'alto). Ma l'età dell'universo - il tempo trascorso
una gigantesca esplosione che si verifica quando una stella chi secondi supernove abbastanza brillanti da essere studia- dall'inizio dell'espansione - è maggiore per un universo che accelera e minore per uno
morta diventa una sorta di bomba termonucleare naturale. te. Tutto ciò che gli astronomi devono fare è trovarle e stu- che decelera, rispetto al caso di espansione costante.
42 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999
Un esperimento con un elastico mostra la La forza determinare la quantità totale di materia, come gli studi su-
gli ammassi di galassie (si veda l'articolo L'evoluzione degli
relazione tra velocità di recessione e di-
stanza. Qui a fianco, due immagini di un Che cosa significa il fatto che l'espansione cosmica rallen- ammassi di galassie di J. Patrick Henry, Ulrich G. Briel e
elastico tirato verso l'alto a una certa velo- ti meno velocemente di quanto si pensasse? Se l'universo è Hans Bohringer in «Le Scienze» n. 366, febbraio 1999).
cità. La lunghezza delle frecce colorate costituito da materia normale, la gravità deve rallentare l'e- Che cosa comportano per la curvatura dell'universo le
corrisponde alla velocità dei diversi punti spansione in misura costante. Se il rallentamento è scarso, nuove conclusioni riguardo alla densità di materia? Secon-
indicati sull'elastico. Il punto più vicino come indicherebbero le misurazioni relative alle supernove, do i princìpi della relatività generale, la curvatura e la dece-
all'origine è quello che si muove di meno, allora la densità totale di materia deve essere bassa. lerazione sono correlate. Per parafrasare John Wheeler, già
sicché la sua velocità è la minore (freccia 4c, Sebbene questa conclusione indebolisca alle fondamenta della Princeton University: la materia dice allo spazio-tem-
in giallo); il punto più lontano si muove ESPANSIONE le concezioni teoriche acquisite, si accorda con altri elementi po come curvarsi e lo spazio-tempo dice alla materia come
CHE ACCELERA
di più, e quindi ha la massima velocità probanti. Per esempio, alcuni astronomi hanno notato che muoversi. Una bassa densità di materia implica una curva-
(freccia in viola). La pendenza della linea certe stelle sembrano essere più vecchie dell'età presunta del- tura negativa e uno scarso rallentamento. Se l'universo fos-
risultante è la velocità di espansione (gra- l'universo: cosa palesemente impossibile. Ma se l'espansione se quasi vuoto, questi due effetti smorzanti sarebbero en-
fico a sinistra). Se questa cambia nel tem- MOLTO cosmica è stata più lenta nel passato, come ora indicano le trambi vicini al loro valore massimo teorico.
po, varia anche la pendenza (grafico a de- TEMPO ricerche sulle supernove, l'età dell'universo deve essere cor- La grande sorpresa è che le supernove osservate sono più
stra). Le epoche più antiche sono riporta- N N FA retta verso l'alto, il che potrebbe risolvere il dilemma. I nuo- deboli di quanto sarebbe prevedibile anche in un universo
te in alto a destra perché la luce di oggetti vi risultati si accordano anche con altri recenti tentativi di quasi vuoto (con curvatura negativa massima). Prese alla
lontani impiega più tempo per raggiunge- lettera, le nostre osservazioni sembrano
re la Terra (situata nell'origine del grafi- comportare che l'espansione cosmica stia
cfeor)i.o Sree, icni opèa sssea tlo'e slap avneslioocniteà a fcocseslee rsatastsae ,i nla- OGGI ESCPHAEN DSEICOENLEERA cri <0,00001 LU apdodsitroit tsuorlao a dcci emlearatenrdioa. nUonr munailvee rnsoon c opmuò-
linea curverebbe verso l'alto (in rosso); se -o -12 coc comportarsi in questo modo perché la gra-
la velocità fosse stata maggiore, come nel -Z;.• vità è sempre una forza attrattiva. Tutta-
caso di un'espansione che decelera, la li- (of) A 0,0001 • via, secondo la teoria di Einstein, l'espan-
nea piegherebbe verso il basso (in blu). VELOCITÀ ENTITÀ 2 LU sione potrebbe accelerare se una forma e-
-2- DELLO STIRAMENTO
sotica di energia riempisse ovunque lo spa-
c.5 0,001
no zio. Questa strana «energia del vuoto»
LU compare nelle equazioni di Einstein nella
che è in grado di cogliere dettagli così minuti da distinguere bilità, la nostra analisi tenta già di tener conto di simili diffe- o 0,01 = forma della cosiddetta costante cosmologi-
nettamente la stella che esplode dalla galassia ospite. renze. Sembra che queste correzioni funzionino bene quan- -5 ca. Al contrario delle forme ordinarie di
I due gruppi hanno ormai studiato con questo metodo pa- do le applichiamo alle galassie vicine, che variano ampia- o.12T LU massa ed energia, l'energia del vuoto gene-
recchie decine di supernove ad alto redshift, esplose fra quat- mente per età, composizione e tipi di supernove osservate. 0,1 ra una gravità repulsiva, e può far espande-
tro e sette miliardi di anni fa, quando l'universo aveva da Dato che nessuno di questi effetti «banali» riesce a spie- o rei re l'universo a velocità sempre crescenti (si
metà a due terzi dell'età attuale. Questo studio ha dato un ri- gare le nuove osservazioni, noi e molti altri scienziati rite- P LU • veda l'articolo L'antigravità cosmologica
sultato davvero sorprendente: le supernove sono più deboli niamo che la luminosità inaspettatamente debole delle su- o V 1 o di Lawrence M. Krauss a pagina 46). Una
del previsto. La differenza è lieve, dato che le supernove lon- pernove lontane sia in realtà dovuta alla struttura del co- Cn Li volta ammessa questa possibilità straordi-
tane sono, in media, solo del 25 per cento meno luminose di smo. A questo fenomeno potrebbero contribuire due diffe- —J LF.i naria, possiamo spiegare perfettamente le
quanto ci si aspettasse; ma il risultato è sufficiente a gettare renti proprietà dello spazio e del tempo. nostre osservazioni, anche conservando la
dubbi su teorie cosmologiche da lungo tempo accettate. In primo luogo, lo spazio potrebbe avere una curvatura 0,01 0,1 geometria piatta tanto amata dai teorici.
Prima di trarre conclusioni generalizzate, tuttavia, gli negativa. Questa deformazione è più facile da comprendere REDSHIFT (Z) Scoprire indizi di una strana forma di
astronomi di entrambi i gruppi si sono chiesti se non vi fos- se si cerca un'analogia bidimensionale. Gli abitanti di un energia che dà all'universo una forza repul-
se una spiegazione prosaica della relativa debolezza di que- mondo completamente piatto, bidimensionale (come i per- Le osservazioni di supernove effettuate dal gruppo degli autori (punti rossi) de- siva è il risultato più interessante in cui a-
ste supernove lontane. Si può pensare che un responsabile sonaggi del romanzo Flatlandia di Edwin A. Abbott) scopro- viano leggermente, ma in maniera significativa, dall'andamento previsto dalle vremmo potuto sperare, e tuttavia è così
sia la polvere cosmica, che potrebbe oscurarne in parte la no che un cerchio di raggio r ha una circonferenza esatta- teorie più accreditate, secondo le quali, se l'universo fosse «piatto e non esistes- stupefacente che sia noi sia altri rimaniamo
luce. Tuttavia riteniamo di poter escludere questa possibi- mente pari a 2/tr. Ma se il loro mondo fosse lievemente pie- se una costante cosmologica, la decelerazione dovrebbe essere abbastanza rapida scettici. Per fortuna i progressi nelle tecno-
lità, perché i grani di polvere tenderebbero a estinguere gato a formare una sella, avrebbe una curvatura leggermen- (linea in blu). Queste osservazioni indicano che l'universo contiene solo il 20 per logie astronomiche, come nuovi rivelatori
maggiormente la luce blu rispetto a quella rossa, facendo sì te negativa (si veda l'articolo L'inflazione in un universo a cento della materia necessaria per renderlo piatto, dato che sta decelerando più infrarossi e il Next Generation Space Tele-
che le supernove appaiano più rosse che nella realtà (è lo bassa densità di Martin A. Bucher e David N. Spergel a pagi- lentamente del previsto (linea in nero). Le misurazioni portano addirittura a pen- scope, ci permetteranno presto di mettere
stesso fenomeno per cui la polvere atmosferica colora di na 54). Gli abitanti bidimensionali di un simile mondo po- sare che l'espansione stia accelerando, forse a causa di una costante cosmologica alla prova le nostre conclusioni, consenten-
rosso il cielo al tramonto). Inoltre la polvere cosmica, a me- trebbero accorgersi di questa curvatura solo se decidessero non nulla (linea in rosso). do maggiore precisione e affidabilità.
no di essere diffusa molto uniformemente in tutto lo spazio, di misurare un grande cerchio di raggio prefissato e trovas-
introdurrebbe una notevole variabilità nelle misurazioni, e sero che la circonferenza è maggiore di 2mr.
anche questo non si osserva. La maggior parte dei cosmologi ha postulato, per svaria-
Un altro possibile disturbo è l'effetto di lente gravitazio- te ragioni teoriche, che il nostro spazio tridimensionale,
nale, ossia il fatto che la luce proveniente da una sorgente proprio come Flatlandia, non abbia curvatura. Se però esso CRAIG J. HOGAN, ROBERT P. KIRSHNER e NI- HOGAN CRAIG J., The Little Book of the Big Bang, Springer-
lontana venga curvata nel passare vicino a galassie in posi- possedesse una curvatura negativa, l'enorme sfera di radia- CHOLAS B. SUNTZEFF condividono da tempo l'inte- Verlag, 1998.
zione intermedia. Questo fenomeno può talvolta causare un zione emessa da un'antica supernova avrebbe un'area mag- resse per le esplosioni stellari. Hogan si è laureato all'U- PERLMUTTER S., ALDERING G., DELLA VALLE M. e altri (The Su-
aumento della luminosità, ma in genere provoca sfocamen- giore che non in uno spazio geometricamente piatto, e que- niversità di Cambridge ed è professore e preside del Di- pernova Cosmology Project), Discovery of a Supernova Explo-
to e può contribuire alla debolezza delle supernove lontane. sto farebbe apparire la sorgente insolitamente fioca. partimento di astronomia dell'Università di Washing- sion at Half the Age of the Universe in «Nature», 391, pp. 51-
Tuttavia i calcoli mostrano che l'effetto di lente gravitazio- Una seconda spiegazione della luminosità inaspettatamen- ton. Kirshner ha conseguito la laurea al California Insti- -54, 1 gennaio 1998.
nale diventa importante solo per sorgenti situate ancora più te bassa delle supernove lontane è che esse siano più distanti tute of Technology con una tesi su una supernova di ti- RIESS ADAM G., FILIPPENKO ALEXEI V., CHALLIS PETER e altri,
lontano delle supernove che stiamo studiando, sicché pos- di quanto indichi il loro redshift. In altri termini, le superno- po la osservata nel 1972 (la più brillante dal 1937). E O bservational Evidence from Supernovae for an Accelerating
siamo eliminare anche questa possibilità. ve situate a queste enormi distanze sembrano avere un red- professore di astronomia alla Harvard University e di- Universe and a Cosmological Constant in «Astronomica! Jour-
Infine, ci siamo preoccupati del fatto che le supernove lon- shift inferiore a quanto previsto. Per spiegare questo redshift rettore associato dello Harvard-Smithsonian Center for nal», 116, n.3, settembre 1998.
tane fossero in qualche modo diverse da quelle vicine: forse anomalo i cosmologi postulano che l'universo debba aver Astrophysics. Suntzeff si è laureato all'Università della Ulteriori informazioni sulla ricerca di supernove si trovano
originate da stelle più giovani, che contengono meno ele- avuto nel passato un'espansione più lenta di quanto si rite- California a Santa Cruz e lavora presso il Cerro Tololo agli indirizzi cfa-www.harvard.edu/cfa/oir/Research/superno-
menti pesanti rispetto ai valori tipici riscontrati in galassie nesse in precedenza, che avrebbe impartito un minore « stira- Inter-American Observatory di La Serena, in Cile. va/HighZ.html e www-supernova.lbl.gov/ in Internet.
più mature. Anche se non possiamo escludere questa possi- mento » al cosmo e alla luce che in esso si propaga.
44 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 45
ontigravità
osmologica
A lungo derisa, la costante
•
cosmologica ipotizzata da Albert
Einstein - una bizzarra forma
di energia inerente allo spazio
stesso - è una delle due possibilità
per spiegare le variazioni
nella velocità di espansione
dell'universo
di Lawrence M. Krauss
l romanziere e intellettuale George Orwell scrisse nel 1946:
«Vedere che ci sta sotto il naso richiede uno sforzo
ciò
I costante». Queste parole si applicano perfettamente alla
moderna cosmologia. L'universo è tutto intorno a noi - ne fac-
ciamo parte - e tuttavia gli scienziati devono talvolta guardare
lontanissimo per comprendere i processi che hanno condotto al-
la nostra esistenza sulla Terra. E sebbene essi siano convinti che
i princìpi fondamentali della natura sono semplici, decifrarli è
tutto un altro discorso. Gli indizi nel cielo possono essere diffi-
cili da scorgere. Il passo di Orwell è doppiamente vero per quei
cosmologi che tentano di spiegare le recenti osservazioni di
esplosioni stellari a distanze di centinaia di milioni di anni luce:
contrariamente alle aspettative, essi stanno scoprendo che l'e-
spansione dell'universo, lungi dal rallentare, potrebbe essere ad-
dirittura in via di accelerazione.
L'espansione dell'universo è nota fin dal 1929, quando Edwin
P. Hubble dimostrò che le galassie remote stanno allontanando-
si, come farebbero se il cosmo intero stesse ingrandendosi u-
niformemente. Questi moti verso l'esterno sono controbilanciati
dalla gravità combinata degli ammassi di galassie e di tutte le
stelle, i pianeti, il gas e la polvere che essi contengono. Anche la
minuscola attrazione gravitazionale di un fermacarte, per esem-
pio, ritarda l'espansione cosmica in misura infinitesima. Circa
10 anni fa la concordanza di teoria e fece pensare
osservazioni
che l'universo contenesse abbastanza fermacarte e altra materia
per arrivare quasi, ma non esattamente, ad arrestare l'espansio-
Il cosiddetto spazio vuoto è in realtà pieno di particelle elementa-
ri che appaiono e scompaiono troppo velocemente per poter
essere rivelate in maniera diretta. La loro presenza è conseguente
a un principio di base della meccanica quantistica combinato con
la relatività speciale: non vi è niente di esatto, neppure il nulla.
L'energia combinata rappresentata da queste particelle «virtua-
• li», come altre forme di energia, potrebbe esercitare una forza
• gravitazionale, che può essere attrattiva o repulsiva in dipenden-
za di principi fisici non ancora compresi. A scala macroscopica,
• questa energia potrebbe agire come la costante cosmologica pro-
posta da Albert Einstein.
"Q
LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 47
rispondente alla velocità di fuga dalla Terra forma di energia. Ma il termine cosmologico di Einstein è di- gia del vuoto non può essere grande. E il fatto che arriviamo
Tipi di materia
(la velocità necessaria per sfuggire all'attra- stinto. L'energia a esso associata non dipende dalla posizio- a vedere non solo alla distanza del nostro braccio, ma fino
Tipo Composizione probabile Principali prove Contributo zione gravitazionale del pianeta). ne o dal tempo: da qui il nome di «costante cosmologica». alle regioni più remote dell'universo pone un limite ancora
approssimativo a Q Il fatto che viviamo in un universo piatto, La forza generata dalla costante si esercita anche in comple- più stringente alla costante cosmologica: questa deve essere
Materia visibile Materia ordinaria Osservazioni con telescopi 0,01 in perfetto equilibrio, è una delle previsioni ta assenza di materia o radiazione. Pertanto la sua sorgente quasi 120 ordini di grandezza inferiore alla stima sopra
(soprattutto protoni e fondamentali della teoria inflazionaria stan- deve essere un'energia bizzarra che risiede nello spazio vuo- menzionata. Una simile discrepanza fra teoria e osservazione
neutroni) che forma stelle, dard, che postula una fase primordiale di ra- to. La costante cosmologica, come l'etere, impartisce al vuo- è l'enigma quantitativo che più lascia perplessi nella fisica at-
polvere e gas pida espansione per risolvere diversi para- to un'aura quasi metafisica; con la sua scomparsa, la natura tuale (si veda l'articolo li mistero della costante cosmologica
Materia oscura Materia troppo poco Calcoli della nucleosintesi 0,05 dossi che si erano presentati nella formula- sembrava di nuovo ragionevole. di Larry Abbott in «Le Scienze» n. 239, luglio 1988).
barionica luminosa per essere visibile; nel big bang e abbondanza zione convenzionale del big bang. Sebbene la O no? Negli anni trenta la costante cosmologica fece ca- La conclusione più semplice è che qualche legge fisica an-

forse nane brune o nere osservata del deuterio materia visibile del cosmo sia chiaramente polino in un contesto del tutto indipendente: il tentativo di cora ignota faccia assumere alla costante cosmologica un va-
(oggetti massicci compatti
dell'alone o MACHO) insufficiente a renderlo piatto, la dinamica combinare la meccanica quantistica con la teoria speciale lore molto piccolo. Ma per quanto i teorici possano deside-
celeste indica che esiste più materia di quella della relatività. Paul A. M. Dirac e più tardi Richard Feyn- rare che essa scompaia del tutto, diverse osservazioni astro-
Materia oscura Particelle esotiche come La gravità della materia 0,3 che vediamo. Gran parte della materia conte- man, Julian S. Schwinger e Shinichiro Tomonaga dimostra- nomiche - sull'età dell'universo, la densità della materia e la
non barionica «dai smsiaosnsia» ,o n peaurttriicneil ldeotati vspisiiebgialer eè lien vsueflfoicciiteàn dtee lpleer nuta nelle galassie e negli ammassi di galassie rono che lo spazio vuoto era più complesso di quanto si fos- natura delle strutture cosmiche - portano a pensare che la
massicce debolmente stelle nelle galassie e delle deve essere invisibile ai telescopi. Più di 10 se immaginato. Risultò che le particelle elementari possono costante non abbia alcuna intenzione di andarsene.
interagenti (WIMP) galassie negli ammassi anni fa chiamai «quintessenza» questa cosid- spontaneamente apparire dal nulla e scomparire di nuovo, Determinare l'età dell'universo è uno dei problemi più an-
detta materia oscura, prendendo a prestito il se esistono per un tempo così breve che non le si può misu- nosi della cosmologia. Misurando la velocità delle galassie si
Materia oscura Costante cosmologica La radiazione di fondo 0,6
cosmologica (energia dello spazio a microonde fa pensare termine che Aristotele usò per l'etere, la ma- rare direttamente. Queste particelle virtuali possono sembra- può calcolare quanto tempo è loro occorso per arrivare nelle
vuoto) che l'universo sia piatto, teria invisibile che egli supponeva permeasse re non meno esotiche di angeli in equilibrio sulla capocchia posizioni attuali, assumendo che siano partite tutte da uno
ma la materia barionica o tutto lo spazio (si veda l'articolo La materia di uno spillo, ma c'è una differenza: le particelle invisibili stesso punto. In prima approssimazione, si può ignorare la
non barionica esistente
non basta a renderlo tale oscura dell'universo di Lawrence M. Krauss producono effetti misurabili, come alterazioni dei livelli decelerazione causata dalla gravità. In questo caso l'universo
in «Le Scienze» n. 222, febbraio 1987). energetici atomici e forze che si esercitano fra lastre metalli- si espanderebbe a una velocità costante e l'intervallo di tempo
L'universo contiene miliardi e miliardi di galassie, ciascuna comprendente un Tuttavia oggi prove schiaccianti dimostra- che adiacenti. La teoria delle particelle virtuali si accorda trascorso sarebbe semplicemente il rapporto della distanza fra
numero ugualmente colossale di stelle. Tuttavia gran parte del contenuto del- no che persino la materia oscura non è ba- con le osservazioni fino alla nona cifra decimale. Che piaccia le galassie rispetto alla loro velocità misurata di allontana-
l'universo sembra consistere di «materia oscura», di identità ancora incerta. La stante per produrre un universo piatto. Forse o no, lo spazio vuoto non è veramente vuoto. mento, ovvero il reciproco della costante di Hubble. Quanto
costante cosmologica, se la sua esistenza verrà confermata, agirebbe a scala allora il cosmo non è piatto ma aperto, nel più è alto il valore della costante di Hubble, tanto maggiore è
universale come una forma di materia oscura ancora più esotica. La grandezza qual caso gli scienziati devono modificare - o Realtà virtuale la velocità di espansione e tanto più giovane è l'universo.
S2 è il rapporto fra la densità di materia o di energia effettiva e quella necessa- scartare - la teoria inflazionaria (si veda l'arti- La prima stima compiuta da Hubble della costante che
ria perché l'universo sia piatto. colo L'inflazione in un universo a bassa den- Se le particelle virtuali possono cambiare le proprietà degli porta il suo nome era pari a quasi 500 chilometri per secon-
sità di Martin A. Bucher e David N. Spergel a atomi, possono influire anche sull'espansione dell'universo? do per megaparsec: ciò significa che due galassie separate da
pagina 54). 0 forse l'universo è realmente Nel 1967 l'astrofisico russo Jakov una distanza di un megaparsec (cir-
ne. Nei termini geometrici che Albert Einstein incoraggiò i piatto. Se è così, i suoi costituenti principali non possono es- B. Zel'dovich dimostrò che l'ener- ca 3 milioni di anni luce) stanno
cosmologi ad adottare, l'universo sembrava essere «piatto». sere materia visibile, materia oscura o radiazione; invece l'u- gia delle particelle virtuali dovreb- allontanandosi, in media, a una ve-
L'universo piatto è una via di mezzo fra altre due geome- niverso deve essere composto in gran parte da una forma an- be agire esattamente come quella locità di 500 chilometri al secon-
trie plausibili, chiamate «aperta» e «chiusa». In un cosmo in cora più eterea di energia che occupa lo spazio vuoto. associata a una costante cosmolo- do. Questo valore comporterebbe
cui la materia oppone resistenza alla spinta verso l'esterno gica. Ma c'era un problema. La un'età del cosmo di circa 2 miliardi
impartita dal big bang, il primo caso rappresenta la vittoria Attrazione fatale teoria quantistica prevede un inte- di anni, irrimediabilmente in con-
dell'espansione: l'universo continuerà a espandersi per sem- ro spettro di particelle virtuali, che traddizione con l'età nota della
pre. Nel secondo caso la gravità avrebbe il sopravvento e l'u- L'idea di una simile energia ha una storia lunga e contra- copre tutte le lunghezze d'onda. Terra, circa 4 miliardi di anni. Se si
niverso finirebbe per collassare di nuovo, terminando la pro- stata, che iniziò quando Einstein ebbe completato la sua teo- Quando si sommano tutti gli effet- tiene conto dell'attrazione gravita-
pria esistenza in un catastrofico «big crunch». Gli scenari ria generale della relatività, oltre un decennio prima che ti, l'energia totale risulta infinita. zionale della materia, si conclude
aperto, chiuso e piatto possono essere paragonati al lanciare Hubble dimostrasse l'espansione dell'universo. Legando Anche se i teorici ignorano gli effet- che gli oggetti cosmici dovevano
un razzo con velocità superiore, inferiore o esattamente cor- spazio, tempo e materia, la relatività prometteva ciò che era ti quantistici minori di una certa muoversi ancora più velocemente
stato in precedenza impossibile: una comprensione scientifi- lunghezza d'onda - laddove effetti agli albori dell'universo, impiegan-
ca non solo della dinamica degli oggetti nell'universo, ma gravitazionali quantistici ignoti do ancora meno tempo per rag-
anche dell'universo stesso. C'era solo un problema: al con- probabilmente alterano la situazio- giungere le posizioni attuali di
trario delle altre forze che si esercitano sulla materia, la gra- ne - l'energia del vuoto calcolata è quanto avrebbero fatto se la loro
vità è universalmente attrattiva; l'inesorabile attrazione gra- all'incirca 120 ordini di grandezza velocità fosse stata costante. Que-
vitazionale della materia avrebbe potuto causare il collasso maggiore dell'energia contenuta in sto perfezionamento riduce l'età
finale dell'universo. Perciò Einstein, che postulava un uni- tutta la materia dell'universo. stimata di un terzo, e purtroppo
verso statico e stabile, aggiunse un termine alle sue equazio- Quale sarebbe l'effetto di una aggrava la discrepanza.
ni, un «termine cosmologico» che poteva stabilizzare l'uni- costante cosmologica così colossa- Negli ultimi 70 anni, gli astro-
verso producendo una nuova forza a lungo raggio estesa in le? Prendendo spunto dalla frase di nomi hanno migliorato i loro cal-
tutto lo spazio. Se il suo valore fosse stato positivo, il termi- Orwell, possiamo porre un limite La dimostrazione dell'effetto Casimir è uno dei
ne avrebbe rappresentato una forza repulsiva: una sorta di osservativo al suo valore. Tendete modi con cui i fisici hanno provato che lo spazio è
antigravità che poteva mantenere statico l'universo. avanti la mano e provate a guarda- pieno di particelle virtuali dall'esistenza effimera.
Nel giro di cinque anni Einstein abbandonò questa idea, re le dita: se la costante fosse gran- L'effetto Casimir genera forze fra oggetti metallici:
che definì il suo «peggiore abbaglio». La stabilità offerta dal de quanto la teoria quantistica in- per esempio, una forza attrattiva tra piastre di me-
termine cosmologico risultò illusoria e, cosa più importante, genuamente indica, lo spazio fra tallo parallele (qui sopra). La distanza finita tra le
cominciavano ad accumularsi prove dell'espansione dell'uni- occhi e mano si espanderebbe così piastre impedisce a particelle virtuali più grandi di
In questa lettera inviata al matematico tedesco Hermann Weyl, verso. Già nel 1923, Einstein scrisse in una lettera al matema- rapidamente che la luce provenien- una certa lunghezza d'onda di materializzarsi nello è
Einstein, allora all'Accademia prussiana delle scienze a Berli- tico Hermann Wey1 che «se non c'è un mondo quasi-statico, te dalla mano non raggiungerebbe spazio intermedio. Pertanto vi sono più particelle o
no, ammette che un universo di dimensioni costanti sarebbe allora togliamo di mezzo il termine cosmologico!». Come l'e- mai gli occhi. Vedere ciò che ci sta all'esterno delle piastre che fra di esse, e questo
suscettibile di espansione o collasso: «Nell'universo di De Sit- tere, il termine cosmologico sembrava destinato all'oblio. sotto il naso richiederebbe uno squilibrio tende ad avvicinare le piastre stesse (a
FLUTTUAZIONE
ter due punti distinti fluidi e instabili si allontanano acceleran- I fisici furono felici di fare a meno di questo ingombro. sforzo non solo costante, ma del destra). L'effetto Casimir ha una caratteristica di- DEL VUOTO
do. Se non c'è un mondo quasi-statico, allora togliamo di mez- Nella teoria generale della relatività la sorgente delle forze tutto inutile. Il fatto che le cose pendenza dalla forma delle piastre, e ciò permette
zo il termine cosmologico!». gravitazionali è l'energia; la materia è semplicemente una non stiano così significa che l'ener- di distinguerlo agevolmente da altre forze. PIASTRE DI CASIMIR

48 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 49
coli della velocità di espansione, ma il contrasto tra l'età sti- logia osservativa hanno cominciato a tremare. Via via che
mata dell'universo e l'età degli oggetti al suo interno persiste. gli astronomi sono stati in grado di esplorare regioni sempre
Nell'ultimo decennio, con il lancio dello Hubble Space Tele- più grandi del cosmo, la loro capacità di valutarne il conte-
-o
scope e la messa a punto di nuove tecniche osservative, mi- nuto è migliorata. Ora è chiarissimo che la quantità totale di + qs>
surazioni disparate della costante di Hubble hanno final- materia è insufficiente per far sì che l'universo sia piatto. li. o
mente cominciato a convergere. Wendy L. Freedman dei Questo censimento cosmico comporta in primo luogo cal- ct›C' é‘.<b‹,0* , •
Carnegie Observatories e colleghi hanno ricavato un valore coli della sintesi degli elementi nel big bang. Gli elementi leg- •
\t,',1!›
di 73 chilometri per secondo per megaparsec (con l'interval- geri - idrogeno, elio e i loro isotopi più rari, come il deuterio
*be•\
lo più probabile, dipendente dall'errore sperimentale, pari a - furono generati nell'universo primordiale in quantità rela- .1> e
65-81) (si veda l'articolo Velocità di espansione e dimensio- tive dipendenti dal numero di protoni e neutroni disponibili
e i% •
ni dell'universo di Wendy L. Freedman in «Le Scienze» n. (i costituenti della materia normale). Così, confrontando le
293, gennaio 1993). Questi risultati collocano il limite supe- abbondanze dei vari isotopi, gli astronomi possono dedurre
riore di età per un universo piatto a circa 10 miliardi di anni. la quantità totale di materia ordinaria che fu prodotta nel
big bang. (Ovviamente potrebbe esistere anche altra mate-
Crisi di età ria, non composta di protoni e neutroni.) 2
Le relative osservazioni hanno fatto un grande passo
Ma è abbastanza? Dipende dall'età degli oggetti più vec- avanti nel 1996, allorché David R. Tytler e Scott Burles del-
chi che si riescono a datare. Fra le stelle più antiche della no- l'Università della California a San Diego misurarono, insie-
stra galassia vi sono quelle presenti negli ammassi globulari; me con i loro colleghi, l'abbondanza primordiale di deuterio
alcuni di questi si trovano ai margini della Via Lattea e per- sfruttando l'assorbimento della luce dei quasar da parte del-
•
tanto si ritiene che si siano formati prima di essa. Le stime le nubi di idrogeno intergalattiche. Poiché queste nubi non
INTERVALLO
della loro età, basate sul calcolo della velocità con cui le stel- hanno mai contenuto stelle, il loro deuterio può essere stato DI DATI FORNITI
le bruciano il loro combustibile nucleare, si collocano fra 15 creato solamente nel big bang. I risultati di Tytler e Burles DALLE SUPERNOVE
"
e 20 miliardi di anni: sembra quindi che questi oggetti siano implicano che la densità media della materia ordinaria sia il ESPANSIONE
più vecchi dell'universo. 4-7 per cento della quantità necessaria perché l'universo sia COSTAI•lfE • • ° a
Per stabilire se questo conflitto cronologico fosse colpa dei piatto. •
modelli cosmologici o di quelli dell'evoluzione stellare, nel Gli astronomi hanno anche tentato di valutare la densità
1995 - insieme con Brian C. Chaboyer, allora al Canadian della materia studiando i più grandi fra gli oggetti gravita-
Institute of Theoretical Astrophysics, Pierre Demarque della zionalmente legati nell'universo: gli ammassi di galassie. NUCA MODELLO PREFERITO
•
Yale University e Peter J. Kernan della Case Western Reserve Questi raggruppamenti di centinaia di galassie raccolgono (concordante con tutti i dati)
University - riesaminai le età degli ammassi globulari. Simu- quasi tutta la materia visibile. Gran parte del loro contenuto tIt..c.(0.0,1.0t!
lammo i cicli vitali di 3 milioni di stelle dalle proprietà abba- luminoso prende la forma di gas intergalattico caldo, che
stanza diversificate da coprire tutti i punti dubbi, e poi con- emette raggi X. La temperatura di questo gas, dedotta dallo
ochiAca).
frontammo i nostri modelli con le stelle degli ammassi globu- spettro dei raggi X, dipende dalla massa totale dell'ammas-
lari. Le più antiche, concludemmo, potevano avere un mini- so: negli ammassi più massicci la gravità è più intensa e ,F50:1- 4
mo di 12,5 miliardi di anni, che era comunque in contrasto quindi la pressione che sostiene il gas opponendosi alla gra- 12:5:;:::
x:11 11 ASINTOTO
con l'età di un universo piatto, dominato dalla materia. vità deve essere maggiore, il che implica una temperatura
p EL MODELLO
Due anni fa il satellite Hipparcos, lanciato dalla European più elevata. Nel 1993 Simon D. M. White, ora al Max- STNI1C0 DI EINSTEIN
Space Agency per misurare le posizioni esatte di 100 000 Planck-Institut fiir Astrophysik di Garching, e colleghi, rac- c. les
stelle vicine, ha portato a rivedere la distanza di questi astri cogliendo i dati disponibili su parecchi ammassi diversi, han- I
ESPANSIONE COSTANTE
e, indirettamente, anche degli ammassi globulari. Le nuove no concluso che la materia luminosa rappresenta dal 10 al VECCHIO MODELLO
distanze hanno modificato le stime di luminosità e ci hanno 20 per cento della massa totale di questi oggetti. Combinati STANDARD bloccar(el al' immpautergiipò vneorsno pIleusòte •rn••o )•
costretto a rifare le nostre analisi, perché la luminosità deter- con le misurazioni del deuterio, questi risultati implicano che !'AVTETROSO/ wit•i.„411..........wr. ...• ...„,,—......-
mina la velocità con cui le stelle consumano combustibile, e la densità totale della materia negli ammassi - compresi pro- n • ao o
quindi anche la durata del loro ciclo vitale. Ora sembra che toni e neutroni nonché particelle più esotiche, come alcuni • di,
•Il
gli ammassi globulari, al limite del margine di errore osser- candidati al ruolo di materia oscura - è al più il 60 per cento * NUOVO COL4LASSO
vativo, possano avere solo 10 miliardi di anni, un valore a di quella necessaria per «appiattire» l'universo. INTERVALLO (l'universo si%spande e si contrae 0-
DEI DATI FORNITI d' o
mala pena in accordo con le età cosmologiche. Una terza serie di osservazioni, relative anch'esse alla di- DALLA RADIAZIONE almeno una volta) xo•• tpe
Questo accordo marginale è assai insoddisfacente, perché stribuzione della materia alle scale maggiori, conferma l'idea DI FONDO
richiede che entrambe le stime cronologiche siano al limite che l'universo non contenga abbastanza massa per essere sr,,, \O° ,,Zgs,SP., ì,30. .ee,ò .
dcae ia llotrrao iipnotetersvia cllhi ed pi uvòa rciaabdielrietà è c qouneslelnat cithi.e L l''uunnii-- 4>rZ °é: 1. 44, e0 4•,T, .'4s •,& O 9#,NeR‘
vdueenrn ussonit isàvi eadr isp omia aattptoee rreita od pociomùn i bndaaestcosea ld,e arclaolzarir omisnpaeto epnridiùae .ln eUtnent aaa, OsRseiervpaizli oongeo dei valori ipotizzati della densità di materia nel cosmo INTDEAR VFAOLRLNOI MTDIAEIS DSAITI '")*of4r° ,• ).,2,_-/ S ,0./-0 ed )o1„11 3te,'p 'io., 4.4.6 k4. 50. ‹'"•2,O 1> "*0> ,, c ij .,c,C,•.• )S O.S04-0 ,b ,ibe oEooo
allevierebbe in qualche misura il contrasto. An-
4 s 4/ o
che così, l'unico modo per portare l'età del co- Età dell'universo <1 4 co,.

smo oltre i 12,5 miliardi di anni sarebbe quello Densità dei protoni e dei neutroni 0,3-0,6 %IPS°
di considerarlo non dominato dalla materia ma Formazione degli ammassi di galassie 0,3-0,5 -1 i i I i ° 59
da una costante cosmologica. La sua forza repul- Evoluzione delle galassie 0,3-0,5 o 2 MATERIA oo
siva farebbe sì che l'espansione accelerasse col
Radiazione cosmica di fondo a microonde
tempo. Le galassie primordiali si sarebbero al- La struttura e l'evoluzione dell'universo dipendono da due gran- (che rappresenta l'intensità relativa dell'espansione e della gra-
lontanate l'una dall'altra più lentamente di Supernove di tipo la 0,2-0,5 dezze cosmologiche: la densità media della materia (asse orizzon- vità) stabilisce come la velocità di espansione varia nel tempo (li-
quanto facciano oggi e avrebbero impiegato più Le misurazioni del contributo a 52 fornito dalla materia sono più o meno in tale) e la densità di energia contenuta nella costante cosmologica nea in blu). Questi due effetti sono stati analizzati con osserva-
tempo per raggiungere le loro distanze attuali, accordo tra loro. Sebbene ciascuna stima sia stata criticata, la maggior par- (asse verticale). Questi valori, dati qui in unità cosmologiche zioni recenti (regioni ombreggiate). Il terzo effetto determina la
sicché l'universo potrebbe essere più antico. te degli astronomi oggi accetta il dato che la sola materia non può rendere standard, hanno tre effetti distinti. La loro somma (che rappre- sorte futura del cosmo (linea in rosso). I tre effetti hanno molte
Le stime di età attuali sono puramente indica- SI uguale a 1. Tuttavia altre forme di energia, come la costante cosmologi- senta il contenuto totale di energia del cosmo) determina la geo- permutazioni, diversamente dalla concezione in cui la costante
tive; ma nel frattempo altri pilastri della cosmo- ca, potrebbero dare un contributo. metria dello spazio-tempo (linea in giallo). La loro differenza cosmologica è supposta nulla e vi sono solo due possibili esiti.
50 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 51
hanno fornito i primi indizi diretti, anche se ancora non con- rico anziché da accidenti storici (si veda l'articolo Il princi-
Densità media dell'universo
10-2 fermati, del fatto che l'espansione cosmica stia accelerando, pio antropico di George Gale in «Le Scienze» n. 162, feb-
segno evidente che deve esistere una costante cosmologica (si braio 1982).
10-21 veda l'articolo Il mistero delle supernove lontane di Craig J. Un'altra direzione di ricerca segue le orme di Dirac, il
Hogan, Robert P. Kirshner e Nicholas B. Suntzeff a pagina quale sostenne che vi è un solo valore grande misurato nel-
MATERIA
2 40). Le osservazioni della radiazione di fondo e quelle delle l'universo: la sua età (o, cosa equivalente, la sua dimensio-
COSTANTE
COSMOLOGICA supernove fanno luce su due aspetti cosmologici differenti. Il ne). Se certe grandezze fisiche fossero variate nel tempo, og-
fondo a microonde rivela la geometria dell'universo, che è gi potrebbero naturalmente essere molto grandi o molto
sensibile alla densità totale di energia, in qualunque forma piccole (si veda l'articolo P. A. M. Dirac e la bellezza della
10-2 r
Una colossale coincidenza è uno dei molti essa si trovi, mentre le supernove misurano direttamente la fisica di R. Corby Hovis e Helge Kragh in «Le Scienze» n.
misteri che circondano la costante cosmologi- 5 velocità di espansione dell'universo, che dipende dalla diffe- 299, luglio 1993). La costante cosmologica potrebbe essere
ca. La densità media della materia ordinaria renza fra la densità di materia (che rallenta l'espansione) e la un esempio: è possibile infatti che non sia costante. Dopo
diminuisce con l'espansione dell'universo (in costante cosmologica (che può accelerarla). tutto, se la costante cosmologica è fissa e non nulla, noi vi-
rosso). La densità equivalente rappresentata Tutti questi risultati presi insieme portano a concludere vremmo nel primo e unico momento della storia del cosmo
7
dalla costante cosmologica è fissa (in nero). che la costante fornisca dal 40 al 70 per cento dell'energia in cui la densità della materia, che diminuisce con l'espan-
Quindi perché, a dispetto di questi comporta- 3 necessaria a rendere piatto l'universo (si veda l'illustrazione sione dell'universo, è confrontabile con l'energia immagaz-
menti opposti, le due grandezze oggi sono a pagina 51). Nonostante la grande quantità di dati, vale la zinata nello spazio vuoto. Una coincidenza eccessiva? Di-
quasi uguali? Può essere un caso, un presup- 9 pena di ricordare la vecchia battuta secondo la quale una versi ricercatori hanno proposto in alternativa che qualche
posto per l'esistenza della vita (un ritorno al teoria astronomica le cui previsioni si accordano con tutte le forma di energia cosmica imiti una costante cosmologica,
principio antropico debole) o un'indicazione o--3D osservazioni è probabilmente sbagliata, se non altro perché ma sia variabile nel tempo.
di un meccanismo non ancora immaginato. alcune misure o previsioni sono quasi certamente erronee. Questa idea fu analizzata una decina di anni fa da P. Ja-
Tuttavia, i teorici stanno dandosi da fare per capire ciò che mes E. Peebles e Bharat V. Ratra della Princeton University,
o 5 10 15 20 20 anni fa sarebbe stato impensabile: una costante cosmolo- ma è stata recentemente ripresa da altri gruppi, ispirati dalle
FDOELRLMEA PZRIOIMNEE FDOELR MSIASZT IEOMNAE OGGI MDEOLRTE gica maggiore di zero, ma molto più piccola di quanto pre- osservazioni sulle supernove. Alcuni si basano su concetti
GALASSIE SOLARE SOLE vedano le attuali teorie quantistiche. Qualche processo di in- derivati dalla teoria delle stringhe. Robert Caldwell e Paul J.
ETA (MILIARDI DI ANNI) verosimile precisione deve annullare le energie delle particel- Steinhardt dell'Università della Pennsylvania hanno rispol-
le virtuali fino alla 123° cifra decimale, ma senza interferire verato il termine «quintessenza» per descrivere questa ener-
con la 124°: una precisione inaudita in natura. gia variabile. E una misura dell'enormità del problema teori-
Una direzione, esplorata recentemente da Steven Wein- co il fatto che la materia oscura a cui in origine era stato at-
piatto. Forse nessun altro settore della cosmologia ha fatto berg e colleghi dell'Università del Texas ad Austin, chiama tribuito questo nome oggi appaia, in confronto, quasi bana-
Il destino dell'universo tanti progressi negli ultimi 20 anni quanto la conoscenza in causa l'ultima spiaggia dei cosmologi: il principio antropi- le. Benché il termine mi piaccia parecchio, le argomentazioni
dell'origine e della natura delle strutture cosmiche. Gli astro- co. Se l'universo osservato è semplicemente uno di un'infi- teoriche in favore della quintessenza sono tutte ad hoc e nes-
i a costante cosmologica modifica il quadro finora relativa- nomi avevano supposto da lungo tempo che le galassie si nità di universi non connessi tra loro - ognuno dei quali po- suna appare convincente. Il problema della costante cosmo-
mente semplice del futuro dell'universo. Tradizionalmente fossero aggregate a partire da piccole concentrazioni di ma- trebbe avere costanti di natura lievemente differenti, come logica rimane colossale.
la cosmologia ha previsto due possibili esiti che dipendono dal- teria nell'universo primordiale, ma nessuno sapeva che cosa propongono alcune incarnazioni della teoria inflazionaria In che modo i cosmologi potranno riconciliarsi con que-
la geometria dell'universo o, in modo equivalente, dalla densità avesse potuto provocare simili disomogeneità. Lo sviluppo combinate con le nuove ipotesi di gravità quantistica - allora sto universo teoricamente problematico? Entro pochi anni,
media della materia. Se la densità di un universo dominato dal- della teoria inflazionaria negli anni ottanta fornì il primo si può sperare di stimare l'entità della costante cosmologica nuove misurazioni della radiazione di fondo a microonde,
la materia supera un certo valore critico, esso è «chiuso», nel meccanismo plausibile, vale a dire l'ampliamento di fluttua- chiedendosi in quali universi la vita intelligente abbia buone ulteriori analisi di supernove lontane e misurazioni dell'ef-
qual caso cesserà prima o poi di espandersi, comincerà a con- zioni quantistiche fino a dimensioni macroscopiche. probabilità di evolversi. Weinberg e altri sono arrivati a un fetto di lente gravitazionale subìto dai quasar dovrebbero
trarsi e svanirà infine in un collasso apocalittico. Se la densità è Simulazioni numeriche della crescita delle strutture dopo risultato che è compatibile con la grandezza apparente at- fornire un valore accettabile della costante cosmologica.
inferiore al valore critico, l'universo è «aperto» e si espanderà l'inflazione hanno mostrato che, se la materia oscura non tuale della costante cosmologica. Una cosa è già certa. La cosmologia standard degli anni ot-
per sempre. Un universo «piatto», nel quale la densità è pari al era costituita da protoni e neutroni ma da qualche altro tipo La maggior parte dei teorici, tuttavia, non trova convin- tanta, che postulava un universo piatto dominato dalla
valore critico, si espanderà anch'esso per sempre ma a una ve- di particelle (come le cosiddette WIMP), le minuscole ondu- centi queste idee. Essi sostengono infatti che non vi è una materia, è morta. Il cosmo è aperto, oppure pervaso da
locità via via più bassa. lazioni nella radiazione cosmica di fondo a microonde a- ragione per cui la costante assuma un particolare valore; un'energia di origine sconosciuta. Sebbene, a mio parere, i
Tuttavia questi scenari presumono che la costante cosmolo- vrebbero potuto svilupparsi nelle strutture oggi visibili. Inol- semplicemente lo fa. Sebbene questa obiezione possa sen- dati facciano propendere per la seconda possibilità, en-
gica sia nulla. Se le cose non stessero così, essa - e non la mate- tre, se la densità totale di materia nell'universo è alta, l'evo- z'altro essere vera, i fisici non hanno ancora esaurito le al- trambi gli scenari richiederanno un'interpretazione radical-
ria - potrebbe controllare il destino ultimo dell'universo. Il moti- luzione di concentrazioni di materia in ammassi di galassie tre possibilità, che potrebbero far sì che il valore della co- mente nuova della fisica. In altri termini, il «nulla» non po-
vo di ciò è che la costante, per definizione, rappresenta una dovrebbe essere ancora in corso. La crescita relativamente stante sia limitato da qualche fondamentale principio teo- trebbe essere più interessante.
densità di energia fissa nello spazio. La materia non può com- lenta del numero di ammassi ricchi nella storia recente del-
petere: raddoppiare il raggio ne riduce di otto volte la densità. l'universo fa pensare invece che la densità di materia sia infe-
In un universo in espansione la densità di energia associata a riore al 50 per cento di quella che sarebbe necessaria per da-
una costante cosmologica deve avere la meglio. Se la costante re origine a un universo piatto (si veda l'articolo L'evoluzio-
ha un valore positivo, genera una forza repulsiva a lungo raggio ne di ammassi di galassie di J. Patrick Henry, Ulrich G. Briel LAWRENCE M. KRAUSS lavora ai WEINBERG STEVEN, I/ sogno dell'unità dell'universo, Mondadori, Milano,
nello spazio, e l'universo continuerà a espandersi anche se la e Hans BOhringer in «Le Scienze» n. 366, febbraio 1999). confini tra fisica e cosmologia, cercan- 1993.
densità di energia totale nella materia e nello spazio supera il do di usare lo studio delle stelle, dei PEEBLES P. JAMES E., Principles of Physical Cosmology, Princeton University
valore critico. (Si possono escludere grandi valori negativi della Il nulla ha la sua importanza buchi neri, delle lenti gravitazionali e Press, 1993.
costante perché la forza attrattiva risultante avrebbe già causa- dell'universo primordiale per far luce REES MARTIN, Prima dell'inizio, Raffaello Cortina Editore, Milano, 1998.
to la fine dell'universo.) Nell'insieme, tutte queste osservazioni sono diventate ab- sulla fisica delle particelle al di là del CHABOYER BRIAN, DEMARQUE PIERRE, KERNAN PETER J. e KRAUSS LAWRENCE
Anche questa nuova previsione di un'espansione eterna bastanza convincenti da prendere il sopravvento sul forte modello standard e su fenomeni quali M., The Age of Globular Clusters in Light of Hipparcos: Resolving the Age
comporta che la costante sia effettivamente costante, così co- pregiudizio teorico secondo cui l'universo dovrebbe essere l'unificazione delle forze, la gravità Problem? in «Astrophysical Journal», 494, n. 1, 10 febbraio 1998; preprint
me dovrebbe essere secondo la relatività generale di Einstein. piatto. Le interpretazioni valide sono due: o l'universo è quantistica e la materia oscura. E pre- consultabile all'indirizzo Internet http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9706128
Se invece la densità di energia dello spazio vuoto varia nel tem- aperto o è reso piatto da una forma addizionale di energia side del Dipartimento di fisica della KRAUSS LAWRENCE m., The End of the Age Problem, and the Case for a Co-
po, il destino dell'universo dipende da come lo fa. E potrebbe che non è associata alla materia ordinaria. Allo scopo di di- Case Western Reserve University. È smological Constant Revisited in «Astrophysical Journal», 501, n. 2, 10 luglio
esservi un precedente per questi cambiamenti: l'espansione in- stinguere queste possibilità alternative, gli astronomi hanno autore di quattro libri di divulgazione, 1998; preprint consultabile all'indirizzo Internet http://xxx.lanl.gov/abs/astro-
flazionaria nell'universo primordiale. Forse l'universo sta pro- fatto grandi sforzi per misurare con elevata risoluzione l'iso- di cui il più recente, Beyond Star Trek, ph19706227
prio ora entrando in un'era di inflazione, che un giorno potreb- tropia della radiazione di fondo a microonde. Al momento, esamina come viene rappresentata la COHN J. D., Living with Lambda, preprint consultabile all'indirizzo Internet
be giungere al termine. le indicazioni preliminari favoriscono un universo piatto. scienza nei film e in televisione. http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph19807128
Nel frattempo, ricercatori che studiano le supernove lontane
52 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 53
'inflazione in un universo a bassa densità
Si sono gradualmente accumulate prove secondo cui l'universo
contiene meno materia, e quindi si sta espandendo più velocemente,
di quanto preveda la teoria dell'inflazione. Ma una versione
più sofisticata di questa teoria spiega facilmente le osservazioni
di Martin A. Bucher e David N. Spergel
-I acosmologia ha la reputazione di scienza difficile, ma zione. Secondo la teoria, l'universo nella sua infanzia era un
per molti versi spiegare l'intero cosmo è più sem- «calderone» di radiazione estremamente caldo e denso. Una
I plice che capire un animale unicellulare. Alle scale sua parte, un frammento più piccolo di una mela, finì per
cosmiche più grandi - dove stelle, galassie e ammassi di galas- ingrandirsi fino a generare l'universo oggi osservabile. (Vi
sie non sono altro che macchioline - la materia è distribuita sono altre parti dell'universo, forse di grandezza infinita,
uniformemente ed è dominata da una sola forza, la gravità. che non possiamo vedere perché la loro luce non ha ancora
Queste due osservazioni fondamentali - l'uniformità a avuto abbastanza tempo per raggiungere la Terra.) L'idea di
grande scala e il predominio della gravità - sono le basi della un universo in espansione può essere fonte di perplessità;
teoria del big bang, secondo la quale l'universo si sta espan- anche Albert Einstein la guardava con sospetto. Quando il
dendo da circa 12 miliardi di anni. Nonostante i suoi fonda- cosmo si espande, la distanza fra due oggetti indipendenti
menti molto semplici, questa teoria riesce a spiegare notevol- aumenta. Le galassie si allontanano l'una dall'altra perché
mente bene le velocità di allontanamento reciproco delle ga- lo spazio fra di esse si amplia, esattamente come fanno le
lassie, le quantità relative di elementi leggeri, la debole radia- uvette in un panettone che sta lievitando.
zione di fondo a microonde e l'evoluzione generale delle Una conseguenza naturale dell'espansione di un universo
strutture astronomiche. La storia globale del cosmo, a quan- uniforme è la legge di Hubble, per la quale le galassie si stan-
to sembra, è quasi completamente indifferente ai particolari no allontanando dalla Terra (o da qualsiasi altro punto del-
del suo contenuto. Purtroppo per i biologi, questo principio l'universo) a velocità proporzionali alla loro distanza. Non
non si applica neppure all'organismo più semplice. tutti gli oggetti dell'universo obbediscono a questa legge,
Tuttavia vi sono paradossi inerenti alla teoria del big perché la reciproca attrazione gravitazionale si oppone all'e-
bang. Due decenni fa i cosmologi hanno risolto queste fasti- spansione dello spazio: per esempio, il Sole e la Terra non si
diose incoerenze incorporando idee mutuate dalla fisica del- stanno allontanando. Ma la relazione è valida alle scale più
le particelle e dando così origine alla teoria dell'« inflazio- grandi. Nella versione più semplice del big bang, l'espansio-
ne». Ma ora questa costruzione teorica sta a sua volta su- ne si è sempre verificata a velocità più o meno costante.
bendo una crisi, provocata da recenti osservazioni che con-
traddicono le previsioni sulla densità media della materia In principio era il paradosso
nel cosmo. I cosmologi stanno cominciando a comprendere
che l'universo non è così semplice come avevano pensato. È Via via che l'universo appena formato si espandeva, co-
ora necessario postulare l'esistenza di una forma esotica di minciò a raffreddarsi, a rarefarsi e a divenire sempre più
materia o di energia, oppure aggiungere un ulteriore livello complesso. Una parte della radiazione condensò nelle parti-
di complessità alla teoria dell'inflazione. In questo articolo celle elementari note e nei nuclei atomici semplici. In circa
ci concentreremo sulla seconda opzione. 300 000 anni la temperatura era scesa a 3000 gradi Celsius,
A rigor di termini, la teoria del big bang non descrive la ossia era divenuta abbastanza bassa perché elettroni e pro-
nascita dell'universo, ma piuttosto la sua crescita e matura- toni si combinassero a formare atomi di idrogeno. In quel
momento l'universo divenne trasparente, e comparve la fa-
mosa radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa ra-
diazione è fortemente isotropa, a indicazione del fatto che la
Gli universi a bolla sono universi contenuti in se stessi che si ac- densità della materia in differenti regioni dell'universo pri-
crescono in un immenso e altrimenti vuoto «multiverso». Come mordiale variava solo di una parte su 100 000. Per quanto
ci si può aspettare dalle bizzarrie della relatività, il tempo e lo fossero minuscole, queste disomogeneità finirono per in-
spazio hanno significati differenti all'interno e all'esterno di cia- grandirsi e dare origine a galassie e ammassi di galassie (si
scuna bolla; il tempo, come viene percepito all'interno, aumen- veda l'articolo L'evoluzione dell'universo di P. James E. Pee-
ta verso il centro della bolla; la parete di quest'ultima rappre- bles, David N. Schramm, Edwin L. Turner e Richard G.
senta il big bang per quell'universo. Ovviamente la prospettiva Kron in «Le Scienze» n. 316, dicembre 1994).
dell'illustrazione è impossibile: anche se un osservatore potesse Nonostante i suoi successi, la teoria standard del big bang
esistere al di fuori della bolla, non potrebbe vedere nulla all'in- non sa rispondere a parecchie domande fondamentali. Per
terno, perché la bolla si espande alla velocità della luce. esempio, perché l'universo è così uniforme? Due regioni agli
LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 55
dello spazio e del tempo, è controllata dal valore di Q (si ve- cosmologi abbandonassero l'inflazione, i formidabili para-
estremi opposti del cielo appaiono più o meno uguali, e tut- Lavorare sul campo da la finestra a pagina 59).S e questa è maggiore di 1, l'uni- dossi che la teoria risolve così elegantemente riapparirebbe-
tavia sono separate da oltre 24 miliardi di anni luce. Dato
verso ha una curvatura positiva, che dà origine a una geo- ro, e sarebbe necessaria una nuova teoria. Per ora non si
che la radiazione ha avuto solo 12 miliardi di anni per pro- Per innescare l'espansione rapida, la teoria inflazionaria
metria sferica, o «chiusa». Se Q è minore di 1, l'universo ha possiede una simile alternativa.
pagarsi, le due regioni non possono ancora vedersi a vicenda. aggiunge un nuovo elemento alla cosmologia, traendolo
una curvatura negativa, che corrisponde a una geometria i- Una seconda ipotesi prende spunto dall'accelerazione
Non vi è stato tempo a sufficienza perché materia, luce o ca- dalla fisica delle particelle: il campo «inflaton». Nella fisica
perbolica, o «aperta». Se è uguale a 1, l'universo è piatto, e dell'espansione dedotta dalle osservazioni di supernove lon-
lore fluissero da una regione all'altra e rendessero omogenee moderna le particelle elementari, come elettroni e protoni,
quindi ha la consueta geometria euclidea. tane (si veda l'articolo Il mistero delle supernove lontane di
la densità e la temperatura (si veda l'illustrazione a pagina sono rappresentate da campi quantistici, che assomigliano
L'inflazione appiattisce l'universo osservabile. Quale che Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner e Nicholas B. Suntzeff a
61). In qualche modo, l'uniformità dell'universo deve aver ai familiari campi elettrico, magnetico e gravitazionale. Un
sia la forma iniziale dell'universo, l'espansione rapida lo pagina 40). Una simile espansione è indicativa dell'esisten-
preceduto l'espansione, ma la teoria non spiega come. campo è semplicemente funzione dello spazio e del tempo,
«gonfia» fino a dimensioni colossali, tanto che la maggior za di un'energia aggiuntiva sotto forma di «costante co-
Viceversa, perché vi erano variazioni di densità, per quan- le cui oscillazioni sono interpretate come particelle. I campi
parte di esso viene spinta troppo lontano per poter essere vi- smologica», che agirebbe come una bizzarra forma di ma-
to piccole, nell'universo primordiale? È una fortuna che ve sono responsabili della trasmissione delle forze.
sta. La piccola frazione visibile può apparire piatta, proprio teria e curverebbe lo spazio esattamente come fa la materia
ne fossero: senza queste minuscole disomogeneità, oggi l'uni- Il campo inflaton impartisce una forza « antigravitaziona-
come accade se si osserva una piccola parte della superficie normale. L'effetto complessivo sarebbe quello di appiattire
verso avrebbe densità uniforme - pari ad alcuni atomi per le» che stira lo spazio. Associata a un dato valore di questo
terrestre. L'inflazione avvicina quindi a 1 il valore di Q. Nel- lo spazio, nel qual caso la teoria inflazionaria non avrebbe
metro cubo - e non esisterebbero né la Via Lattea né la Terra. campo vi è un'energia potenziale. Proprio come una palla
lo stesso tempo, eventuali irregolarità iniziali nella densità di nulla da temere (si veda l'articolo L'antigravità cosmologi-
Infine, perché la velocità dell'espansione cosmica è esatta- che rotola giù da un pendio, il campo inflaton cerca di rag-
materia e di radiazione tendono ad annullarsi. ca di Lawrence M. Krauss a pagina 46). Ma l'esistenza del-
mente quella che occorre a controbilanciare la gravità di tut- giungere i valori più bassi del suo potenziale (si veda l'illu-
Così, nella teoria inflazionaria standard, la «piattezza» e la costante cosmologica è tutt'altro che sicura, date le incer-
ta la materia dell'universo? Qualsiasi deviazione significati- strazione in queste due pagine). Ma l'espansione dell'univer-
l'uniformità del cosmo sono correlate. Perché l'universo sia tezze sulla quantità di polvere e sulla natura delle stelle che
va dall'equilibrio si sarebbe ingigantita itel tempo. Se la ve- so introduce quello che può essere descritto come un attrito
omogeneo, come di fatto è, deve essere estremamente piat- subiscono esplosioni di supernova. Perciò i cosmologi cer-
locità di espansione fosse stata troppo grande, l'universo ap- cosmologico, che intralcia tale discesa. Fino a che domina
to, con SI uguale a 1 a meno di una parte su 100 000. Qual- cano di non precludersi alcuna opzione.
parirebbe quasi vuoto di materia. Se la gravità fosse stata l'attrito, il campo inflaton è pressoché bloccato sul posto. Il
siasi deviazione da un cosmo piatto dovrebbe essere impos-
troppo intensa, l'universo sarebbe già collassato in un «big suo valore è quasi costante, sicché la forza antigravitaziona-
crunch», e oggi non sareste qui a leggere questo articolo. le si rafforza rispetto alla gravità, facendo sì che la distanza sibile da rilevare in pratica. Perciò, per gran parte degli ulti- Universi a bolla
mi due decenni la piattezza dedotta dalle osservazioni è sta-
I cosmologi esprimono questo problema in termini della fra oggetti un tempo vicini aumenti sempre più velocemen-
ta considerata come una previsione riuscita della teoria. Una terza via è quella di prendere alla lettera le osserva-
variabile omega (Q), che è il rapporto fra l'energia gravita- te. Alla fine il campo si indebolisce e converte la rimanente
E qui sta il problema. Un'ampia varietà di osservazioni zioni e chiedersi se un universo piatto è davvero una conse-
zionale e l'energia cinetica (vale a dire l'energia contenuta energia in radiazione; dopo di che, l'espansione dell'univer-
astronomiche, fra cui quelle di ammassi di galassie e di su- guenza inevitabile dell'inflazione. Un simile approccio com-
nel moto della materia durante l'espansione). Questa varia- so continua come nel big bang standard.
pernove lontane, indica ora che la gravità è troppo debole porta una ulteriore estensione della teoria a tempi ancora
bile è proporzionale alla densità di materia nell'universo: I cosmologi visualizzano questo processo in termini di
per contrastare l'espansione. Se è così, la densità della mate- più remoti, e l'aggiunta di nuova complessità. Questa via fu
una densità più alta corrisponde a una gravità più intensa, e forma dell'universo. Secondo la teoria generale della relati-
ria deve essere inferiore al previsto, con S2 pari a circa 0,3. percorsa per la prima volta all'inizio degli anni ottanta da
quindi a una Q maggiore. Se quest'ultima è uguale a 1, il vità di Einstein, la gravità è un effetto geometrico: la materia
Ciò significa che l'universo deve essere curvo e aperto. Ci Sidney R. Coleman e Frank de Luccia della Harvard Uni-
suo valore non varia mai; in caso contrario, decresce o au- e l'energia deformano il tessuto dello spazio-tempo, distor-
sono tre modi per interpretare questo risultato. Il primo è versity e da J. Richard Gott III della Princeton University.
menta rapidamente in un processo che si autorafforza, via cendo le traiettorie seguite dagli oggetti. L'espansione globa-
che la teoria inflazionaria è completamente erronea. Ma se i Ignorate per oltre un decennio, queste idee furono sviluppa-
via che l'energia cinetica o quella gravitazionale tendono a le dell'universo, che in se stessa è una sorta di deformazione
te di recente da uno di noi (Bucher), insieme con Neil G.
predominare. Dopo miliardi di anni, Q dovrebbe a tutti gli
Turok, ora all'Università di Cambridge, e Alfred S. Goldha-
effetti essere nulla o infinita. Poiché l'attuale densità dell'u-
ber della State University of New York a Stony Brook, non-
niverso fortunatamente non è né zero né infinito, il valore
ché da Misao Sasaki e Takahiro Tanaka, ora all'Università
iniziale di S2 doveva essere esattamente uguale a 1 o straor-
dinariamente vicino a questo valore (a meno di una parte su INFLAZIONE STANDARD INFLAZIONE APERTA di Osaka, e Kazuhiro Yamamoto dell'Università di Kyoto.
Anche Linde e collaboratori hanno proposto alcuni model-
1018). Perché? Tutto ciò che la teoria del big bang può dire è
li concreti e ampliamenti di queste ipotesi.
che si è trattato di un puro caso.
Se il campo inflaton avesse avuto una funzione di energia
Queste manchevolezze non invalidano la teoria - che spie- FALSO MINIMO
potenziale diversa, l'inflazione avrebbe curvato lo spazio in
ga adeguatamente miliardi di anni di storia cosmica - ma in-
maniera precisa e prevedibile, lasciando l'universo legger-
dicano che è incompleta. Per colmare la lacuna, all'inizio de-
mente curvo anziché piatto. Supponiamo che la funzione di
gli anni ottanta i cosmologi Alan H. Guth, Katsuhiko Sato,
energia potenziale avesse due avvallamenti: un minimo lo-
Andrei D. Linde, Andreas Albrecht e Paul J. Steinhardt mi-
cale e uno globale (si veda l'illustrazione qui a fianco). Via
sero a punto la teoria dell'inflazione (si veda l'articolo L'u-
via che il campo inflaton scendeva verso il minimo di ener-
niverso inflazionario di Alan H. Guth e Paul J. Steinhardt in
EFFETTO TUNNEL gia, l'universo si espandeva e diventava uniforme. Ma a un
«Le Scienze» n. 191, luglio 1984).
certo punto il campo si impegolò nel falso minimo. In que-
Il prezzo che si paga per risolvere i paradossi è di rendere
sto stato, che i fisici chiamano «falso vuoto», la materia e la
più complicata la teoria del big bang. Il modello inflaziona-
radiazione dell'universo vennero quasi interamente sostitui-
rio postula che l'universo appena nato sia passato attraverso
te dall'energia del campo inflaton. Le fluttuazioni inerenti
un periodo di espansione molto rapida. Al contrario dell'e-
alla meccanica quantistica fecero sì che il campo fosse in-
spansione convenzionale della teoria del big bang, che dece-
stabile, e alla fine gli permisero di sfuggire al falso minimo,
lera nel tempo, l'espansione inflazionaria accelerava, allonta-
VALORE DEL CAMPO proprio come scuotere un biliardino può liberare una palli-
nando due oggetti indipendenti a un ritmo sempre più rapi-
na intrappolata.
vdioo,l faivnao laa sreulpaetirvairteà ,l ac hvee lporcoiitbài sdceel laa cluocrpei. Qdiu mesatsos am fointoit an odni MINIMO VALORE DEL CAMPO INFLATON VERO MINIMO INFLATON Questa fuga, chiamata decadimento del falso vuoto, non
avvenne simultaneamente ovunque, ma ebbe luogo in un
muoversi nello spazio più velocemente della luce. Gli oggetti 'i
punto casuale e poi si diffuse. Il processo è analogo a quello
erano fermi relativamente allo spazio che li circondava; era
che si verifica in un pentola d'acqua che bolle: quando si ar-
lo spazio stesso che si espandeva a velocità sopraluminale!
o riva al punto di ebollizione, l'acqua non si vaporizza istanta-
Questa rapida espansione primordiale spiega l'attuale u-
mento, o «falso minimo». In gran parte dell'universo il campo neamente ovunque, ma dapprima, a causa dei moti casuali
niformità dell'universo. Tutte le parti del cosmo visibile un Il campo «inflaton», l'origine della forza che ha causato l'e-
rimase intrappolato e l'inflazione non terminò mai; in alcune degli atomi, bolle sparse cominciano a formarsi in tutto il li-
tempo erano così vicine da poter raggiungere una densità e spansione dello spazio, si comportava come una palla che roto-
regioni fortunate, tuttavia, il campo uscì per effetto tunnel dalla quido. Le bolle inferiori a una certa dimensione minima col-
una temperatura comuni. Durante l'inflazione parti diffe- lava giù da un pendio: tendeva a minimizzare l'energia poten-
valle e completò la propria discesa. Una di queste regioni diven- lassano a causa della tensione superficiale, ma in quelle più
renti di questo universo uniforme si persero di vista; solo ziale (asse verticale) cambiando il proprio valore (asse orizzon-
ne la bolla del nostro universo. In entrambi i tipi di inflazione, grandi la differenza di energia fra il vapore e l'acqua soprari-
più tardi, quando l'inflazione terminò, la luce ebbe il tempo tale). Il campo partì da una posizione elevata a causa di proces-
una volta che il campo si fu avvicinato alla sua posizione finale, scaldata vince la tensione superficiale; queste bolle si espan-
di riguadagnare terreno rispetto alla più lenta espansione si quantistici ai primordi del tempo. Nell'inflazione standard (a
cominciò a ondeggiare avanti e indietro, riempiendo lo spazio dono con velocità pari a quella del suono nell'acqua.
tradizionale. Se vi è una qualche disomogeneità nella strut- sinistra) il campo scese direttamente al suo valore minimo. Ma
di materia e radiazione: era iniziato il big bang. Nel decadimento del falso vuoto le fluttuazioni quantisti-
tura globale dell'universo, deve ancora essere osservata. nell'inflazione aperta (a destra) venne catturato da un avvalla-
56 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 57
che si comportarono come moti atomici casuali, provocan- l'inflazione era costante in corrispondenza di superfici di Sono qui mostrate tre geometrie da due prospettive differenti: una ipotetica vista dal-
do la formazione di bolle di vero vuoto. La maggior parte di forma iperbolica (si veda l'illustrazione in questa pagina). La geometria dell'universo l'esterno della bolla, che ignora, per chiarezza dell'illustrazione, una delle dimensioni
queste venne distrutta dalla tensione superficiale, ma alcune Il valore dell'inflazione non è un concetto astratto. Esso spaziali (colonna di sinistra) e una vista dall'interno, che mostra tutte e tre le dimen-
riuscirono a ingrandirsi fino al punto in cui gli effetti quan- determinò le proprietà fondamentali dell'universo all'inter- e l'universo avesse un «esterno» e po- sioni nonché un sistema di riferimento (colonna di destra). La vista dall'esterno è uti-
tistici divennero irrilevanti. Dato che nulla si opponeva al- no della bolla: in particolare, la sua densità media e la tem- S tessimo osservarlo da quella prospet- le per cogliere le regole geometriche fondamentali; quella dall'interno rivela le dimen-
l'espansione, il loro raggio continuò ad aumentare alla velo- peratura della radiazione cosmica di fondo (che oggi è pari a tiva, la cosmologia sarebbe molto più sioni apparenti degli oggetti (che in questi diagrammi sono tutti delle stesse dimensio-
cità della luce. Quando la parete di una bolla passava in un 2,7 kelvin). Su una superficie iperbolica, densità, temperatu- semplice. Non avendo questa fortuna, gli ni reali) a diverse distanze. Oggetti e sistemi di riferimento appaiono sempre più ros-
punto dello spazio, il campo inflaton in quel punto veniva ra e tempo trascorso dal big bang erano costanti; queste su- astronomi devono dedurre la forma dell'u- si a distanze crescenti.
sbalzato fuori dal falso minimo e riprendeva la sua discesa. perfici sono ciò che gli osservatori all'interno della bolla niverso a partire dalle sue proprietà geo-
Da quel momento lo spazio nell'interno della bolla subiva percepiscono come «tempo» costante (che non è identico al metriche. L'esperienza quotidiana mostra
inflazione esattamente come descritto dalla teoria standard. tempo che si sperimenta al di fuori della bolla). che a piccole scale lo spazio è euclideo, os-
L'interno di questa bolla corrisponde al nostro universo; il Come è possibile che qualcosa di tanto fondamentale co- sia «piatto». Le rette parallele non si incon-
momento in cui il campo inflaton si è liberato dal falso mi- me il tempo sia differente all'interno e all'esterno? Basandosi trano mai, la somma degli angoli interni di
nimo equivale al big bang delle vecchie teorie. sull'interpretazione dello spazio e del tempo prima delle teo- un triangolo è 1800, la circonferenza di un
Per punti situati a distanze diverse dal centro di formazio- rie di Einstein, questo apparirebbe in effetti impossibile; ma cerchio misura 27tr e così via. Ma sarebbe
ne della bolla, il big bang avvenne in momenti differenti. nella relatività la distinzione fra spazio e tempo non è netta. erroneo dedurne che l'universo sia eucli-
Questa disparità appare strana, a dir poco, ma un attento Ciò che un osservatore chiama «spazio» e «tempo» è in gran deo a grande scala, proprio come lo sareb-
esame del campo inflaton rivela ciò che accadde. L'inflazio- parte questione di convenienza. In parole povere, il tempo be concludere che la Terra è piatta perché
ne agì come un cronometro: il suo valore in un dato punto rappresenta la direzione in cui le cose cambiano, e il cambia- così appare una sua piccola regione.
rappresentava il tempo trascorso dal momento in cui il big mento nell'interno della bolla è guidato dall'inflazione. Vi sono altre due possibili geometrie tri-
bang si era verificato in quel punto. Dato il ritardo nell'ini- dimensionali coerenti con le osservazioni
zio del big bang, il valore dell'inflazione non era lo stesso In un guscio di noce dell'omogeneità (l'equivalenza di tutti i
ovunque: era più elevato alla parete della bolla e diminuiva punti dello spazio) e dell'isotropia (l'equi-
regolarmente verso il centro. Matematicamente, il valore del- Secondo la relatività, l'universo ha quattro dimensioni: tre valenza di tutte le direzioni) cosmiche: so-
spaziali e una temporale. Una volta stabilita la direzione del no la geometria sferica, o «chiusa», e quel- Lo spazio piano obbedisce alle familiari regole della geometria euclidea. La dimen-
tempo, le tre direzioni rimanenti devono essere spaziali; so- la iperbolica, o «aperta». Entrambe sono sione angolare di sfere identiche è inversamente proporzionale alla loro distanza: la
no le direzioni in cui il tempo è costante. Pertanto un univer- caratterizzate da una curvatura: se questa classica prospettiva che si insegna nelle lezioni di disegno.
so a bolla appare iperbolico dall'interno. Per noi, viaggiare è positiva, la geometria è sferica; in caso
nello spazio equivale, in effetti, a muoverci su un'iperbole. contrario è iperbolica. Per distanze molto
Guardare all'indietro nel tempo è guardare verso la parete più piccole del raggio di curvatura, tutte le
della bolla. In linea di principio potremmo osservare l'ester- geometrie appaiono euclidee.
no della bolla - il periodo precedente il big bang - ma in pra- In un universo sferico due rette parallele
tica l'universo primordiale denso e opaco blocca la vista. finiscono per incontrarsi, la somma degli
Questa mescolanza di spazio e tempo permette a un inte- angoli interni di un triangolo può arrivare a
PARETE
DELLA BOLLA ro universo iperbolico (che è di volume infinito) di essere 540° e la circonferenza di un cerchio è mi-
contenuto entro una bolla in espansione (il cui volume, per nore di 2Ttr. Dato che lo spazio si incurva su
quanto crescente senza limiti, è sempre finito). Lo spazio al- se stesso, l'universo sferico è finito. In un
SUPERFICIE FORMAZIONE l'interno della bolla è in realtà una mescolanza di spazio e universo iperbolico due rette parallele di-
DI TEMPO COSTANTE DELLA BOLLA tempo come vengono percepiti all'esterno della bolla. Dato vergono, la somma degli angoli interni di
che il tempo esterno è infinito, lo è anche lo spazio interno. un triangolo è minore di 180° e la circonfe-
Il concetto apparentemente bizzarro degli universi a bolla renza di un cerchio maggiore di 27tr. Un si-
libera la teoria inflazionaria dalla costrizione che S2 sia mile universo ha dimensione infinita. (Vi so-
uguale a 1. Sebbene la formazione delle bolle abbia creato no modi per rendere finiti gli universi iper-
iperboli, non dice nulla sulla loro scala esatta. Questa è in- bolici e piatti, ma non hanno alcun effetto Uno spazio sferico ha le proprietà geometriche di un globo. All'aumentare della di-
vece determinata dai dettagli del potenziale inflaton, e varia sulle conclusioni della teoria inflazionaria.) stanza, le sfere dapprima sembrano più piccole, fino a raggiungere una dimensione
col tempo in accordo con il valore di U. Inizialmente Q al- Queste geometrie hanno conseguenze apparente minima e poi ricominciare ad apparire più grandi. (Così pure, i meridiani
l'interno della bolla è uguale a zero. Durante l'inflazione il prospettiche molto diverse (a destra), il che escono da un polo si allontanano, raggiungono la massima separazione all'equa-
suo valore aumenta e si avvicina a 1. Perciò le iperboli par- che distorce l'aspetto delle strutture nella tore e poi si ricongiungono nel polo opposto.) Qui il sistema di riferimento è formato
tono con una curvatura brusca e gradualmente si appiatti- radiazione cosmica di fondo a microonde. da dodecaedri.
I~MUMMILVIC
scono: è il potenziale inflaton a determinare la velocità e la Le ondulazioni più grandi all'interno di VI
SUPERFICIE DI TEMPO
TRASCORSO COSTANTE durata dell'appiattimento. Alla fine l'inflazione nella bolla quest'ultima hanno la stessa dimensione FrIPAW/0
giunge al termine, e a quel punto Q è estremamente vicino, assoluta quale che sia lo specifico proces- AOLoirom ì1
Un universo infinito in uno spazio finito? Questo apparente pa- ma appena inferiore, a 1; dopo di che, comincia a diminui- so di inflazione, ma la dimensione appa-
radosso è possibile perché lo spazio e il tempo vengono percepiti re. Se la durata dell'inflazione all'interno della bolla è quella rente varia: se l'universo fosse piatto le on-
in modo differente all'esterno (in alto) e all'interno (in basso) di esatta (con un errore di qualche punto percentuale), il valo- dulazioni maggiori avrebbero una lar- WILIW94113
un universo a bolla. In questa immagine il tempo - visto da un re attuale di S2 corrisponderà a quello osservato. ghezza di circa un grado, mentre in un uni-
osservatore esterno - procede verso l'alto; lo spazio, per defini- A prima vista il processo può apparire troppo elaborato, verso iperbolico apparirebbero grandi cir- IgkitiA WorEoI,yN4, 0a,"
zione, è qualsiasi linea o superficie che connette punti situati a ma la conclusione principale è semplice: non è necessario che ca la metà, semplicemente a causa della
un certo tempo (linee orizzontali). La bolla appare finita. Gli os- ci sia un legame fra uniformità e geometria dell'universo. Le distorsione geometrica dei raggi di luce.
servatori al suo interno, tuttavia, sono consapevoli solo del tem- grandezze potrebbero derivare da stadi diversi di inflazione: Le osservazioni preliminari fanno pensa- •.. eeavkaleiWki
po trascorso da quando la bolla è arrivata in una data posizione. l'uniformità dall'inflazione prima della formazione della bol- re che le ondulazioni abbiano effettivamen-
Via via che il tempo trascorso aumenta, la temperatura diminui- la; la geometria dall'inflazione all'interno della bolla. Poiché te dimensione di un grado circa; se confer-
sce, provocando modificazioni fisiche (la temperatura più alta è le due proprietà non sono connesse, il vincolo dell'uniformità mati, questi risultati implicherebbero che la
in giallo, la più bassa in nero). Le superfici di tempo trascorso non determina la durata dell'inflazione, che dura quanto ba- teoria inflazionaria aperta è erronea. Ma si
costante sono iperboli, che si curvano verso l'alto e non toccano sta per dare alle iperboli il giusto grado di piattezza. tratta di dati provvisori, sicché gli astronomi Lo spazio iperbolico ha una geometria a sella. La dimensione angolare si riduce con
mai la parete della bolla. I punti interni si allontanano l'uno dal- Questa formulazione è un'estensione diretta della teoria attendono le imminenti osservazioni da sa- la distanza molto più rapidamente di quanto faccia in uno spazio euclideo. Poiché gli
l'altro a causa dell'espansione cosmica (linee tratteggiate). Per- del big bang. La teoria standard dell'inflazione descrive ciò tellite per ottenere una risposta definitiva. angoli sono più acuti, intorno a uno spigolo possono stare cinque oggetti cubici, an-
ciò possiamo considerarci immersi in uno spazio infinito. che accadde appena prima dell'espansione convenzionale ziché quattro.
58 LE SCIENZE n. 367, marzo 1999 LE SCIENZE n. 367. marzo 1999 59