Teorie nantu à l'energia scura è a materia scura
L'universu chì observemu - stelle, pianeti, gasu interstellare è galassie - rapprisenta solu una piccula frazione di u cosmos. Dapoi a fine di u XXu seculu, i cosmologi sò diventati sempre più cunvinti chì u più grande cumpunente di l'universu hè in realtà invisibile per noi. Dui termini chì si presentanu spessu in questa discussione sò a materia scura è l'energia scura. Tramindui sò "scuri" perchè ùn emettenu, assorbenu o riflettenu a luce in un modu chì sia facilmente rilevabile; tuttavia, i so roli è proprietà suspettati sò assai diversi. Questu articulu discute e principali teorie nantu à a materia scura è l'energia scura, l'evidenza osservazionale chì li sustene, è e sfide chì a scienza muderna affronta sempre.
Perchè avemu bisognu di u cuncettu di "scuru"?
In cusmulugia, e teorie devenu esse in cunfurmità cù i dati d'osservazione. Quandu l'astronomi misuranu e velocità di rotazione di e galassie, u modu in cui pieganu a luce (lente gravitazionale) è i mudelli di radiazione lasciati da u Big Bang (Fonte Cosmicu à Microonde/CMB), i risultati suggerenu chì ci hè "qualcosa" chì influenza ancu a gravità è l'evoluzione di l'universu. Ma quellu "qualcosa" ùn pare micca esse materia luminosa cum'è e stelle.
Da l'altra parte, à una scala cosmica assai grande, l'osservazioni di supernove di tipu Ia à a fine di l'anni 1990 anu rivelatu un fattu surprenante: l'espansione di l'universu ùn rallenta micca, ma piuttostu accelera. Per spiegà sta accelerazione, era necessariu un cumpunente cù pressione negativa chì spinghjia u spaziu-tempu à espande si sempre più rapidamente. Stu cumpunente hè statu dopu chjamatu energia scura.
Materia scura: Teorie chjave è evidenze
1. Curva di rotazione di a galassia
Una di e prove classiche di a materia scura vene da e misurazioni di e curve di rotazione di e galassie spirali. Sicondu a gravità newtoniana, a velocità di e stelle chì orbitanu intornu à u centru di una galassia duveria diminuisce cù l'aumentu di a distanza da u centru. Tuttavia, si osserva u cuntrariu: a velocità tende à rimanere alta è "piatta" finu à u bordu di a galassia. Questu suggerisce chì ci hè una massa supplementaria distribuita largamente, chì forma un alone di materia scura chì circonda a galassia.
2. Lente gravitazionale
Sicondu a relatività generale, a massa curva u spaziu-tempu, dunque a luce chì passa vicinu à una grande massa hè curvata. In parechji sistemi cosmichi (ammassi di galassie, galassie singole), l'effetti di lente gravitazionale indicanu una quantità di massa più grande di quella chì pò esse spiegata da a materia luminosa. Un esempiu famosu hè l'ammassu Bullet, induve a distribuzione di massa (tracciata per via di a lente gravitazionale) hè separata da u gasu caldu luminosu (vistu in i raggi X). Stu fenomenu hè spessu cunsideratu cum'è un forte sustegnu per u fattu chì a materia scura hè una cumpunente reale, piuttostu chè una semplice idea sbagliata di a gravità.
3. Radiazione di Fondu Cosmicu (CMB) è Struttura à Grande Scala
U CMB cunserva una "traccia" di e cundizioni in l'universu primitivu. Picculi mudelli di fluttuazione in u CMB, quandu sò analizati, furniscenu stime di a cumpusizione di u cosmos. I risultati sò coerenti cù i mudelli chì suggerenu chì l'universu hè cumpostu da circa ~5% di materia ordinaria, ~27% di materia scura è ~68% di energia scura (i numeri ponu varià ligeramente secondu u dataset). A materia scura aiuta ancu à spiegà cumu e strutture cosmiche - da e galassie à i filamenti giganti - ponu furmassi cusì rapidamente cum'è osservate.
Candidati di a Materia Scura: Da e Nove Particelle à i Buchi Neri Primordiali
A tiuria di a materia scura a più pupulare assume ch'ella hè una forma di materia in forma di particelle chì ùn avemu ancu scupertu in a fisica di e particelle.
1. WIMP (Particelle Massive chì Interagiscenu Debolmente)
I WIMP eranu una volta cunsiderati i principali candidati perchè teoricamente pudianu cumparisce in mudelli espansi di fisica di e particelle è pruduce naturalmente a densità cosmica "giusta" (spessu chjamata u "miraculu WIMP"). Tuttavia, diversi esperimenti di rilevazione diretta (per esempiu, aduprendu detectori sutterranei) ùn anu finu à avà riesciutu à truvà un signale cunvincente.
2. Axione
L'assione hè una particella ipotetica pruposta à l'origine per risolve un prublema in a teoria di l'interazioni forti (QCD). L'assioni ponu esse assai ligeri ma assai numerosi, cuntribuendu cusì à una grande quantità di massa tutale è agendu cum'è materia scura "fredda".
3. Neutrini sterili
À u cuntrariu di i neutrini ordinarii, chì interagiscenu debulemente, i neutrini sterili sò ancu più difficiuli da rilevà. S'elli sò prisenti, ponu agisce cum'è materia scura "calda", influenzendu a furmazione di a struttura à una scala specifica.
4. MACHO è oggetti cumpatti
Candidati cum'è i pianeti ribelli, e stelle debuli, o altri oggetti compatti (MACHO) sò stati presi in considerazione, ma i sondaggi di microlensing suggerenu chì ùn sò micca abbastanza numerosi per spiegà a materia scura. Ci hè ancu l'idea di i buchi neri primordiali (furmati in l'universu assai primitivu), ma e limitazioni d'osservazione rendenu difficiule per esse l'unica spiegazione per tutta a materia scura.
Alternativa: Mudificazione di a Gravità (MOND è Amici)
Invece d'aghjunghje "materia invisibile", certi scientifichi anu prupostu chì a nostra capiscitura di a gravità à scala galattica hè difettosa. Teorie cum'è MOND (Modified Newtonian Dynamics) mudificanu e lege di Newton per accelerazioni assai chjuche, permettendu di spiegà e curve di rotazione senza materia scura.
Tuttavia, a sfida principale per e teorie di gravità mudificate hè di spiegà tutte l'evidenza in una volta, in particulare fenomeni cum'è u Bullet Cluster è a cunsistenza di u CMB. Ci sò stati sviluppi relativistici di MOND (per esempiu, TeVeS), ma finu à avà, i mudelli di materia scura sò stati più "completi" in l'adattamentu di i diversi dati.
Energia scura: chì hè è perchè si pensa chì esiste?
L'energia scura hè stata pruposta per spiegà l'espansione accelerata di l'universu. In u quadru di a relatività generale, sta accelerazione pò esse causata da una cumpunente energetica cù pressione negativa. In poche parole, più energia scura ci hè, più velocemente u spaziu si espande à scala cosmica.
L'evidenza principale di l'energia scura include:
– E supernove di tipu Ia servenu cum'è "candele standard" per misurà e distanze cosmiche. E supernove luntane appariscenu più scure di ciò chì si prevede se l'espansione rallenta.
– L'oscillazioni acustiche CMB è barioniche (BAO) furniscenu un "righello cosmicu" per seguità a storia di l'espansione.
– Distribuzione di strutture à grande scala sensibili à i tassi di espansione.
Teoria di l'Energia Scura: Da a Custante Cosmologica à a Quintessenza
1. Custante Cosmologica (Λ)
A spiegazione più simplice hè a custante cosmologica d'Einstein: una energia di u vacuum chì a so densità ferma custante in u tempu. U mudellu standard di a cosmologia muderna hè spessu scrittu cum'è ΛCDM, induve Λ hè l'energia scura è CDM hè a "materia scura fredda". Stu mudellu hè rimarchevulimente riesciutu à spiegà gran parte di i dati.
U prublema: quandu i fisici cercanu di calculà l'energia di u vacuum da a teoria quantica, i risultati sò assai più grandi di ciò chì hè osservatu - a differenza pò esse estrema. Questu hè cunnisciutu cum'è u prublema di a costante cosmologica.
2. Quintessenza
In questu mudellu, l'energia scura ùn hè micca una custante, ma piuttostu vene da un campu scalare dinamicu chì cambia cù u tempu. Questu permette à a densità di l'energia scura di evoluzione, ciò chì puderia (in teoria) riduce a "stranezza" di a custante cosmologica. Tuttavia, questu mudellu deve esse interpretatu cù cura per evità di cuntradisce i dati d'osservazione chì mostranu un cumpurtamentu di l'energia scura vicinu à una custante.
3. Energia scura "fantasma" è relatività mudificata
Ci sò mudelli chì permettenu à u parametru di statu di l'energia scura (w) d'esse più chjucu di -1 ("fantasma"), ciò chì pò purtà à scenarii estremi cum'è u Big Rip. Ci sò ancu approcci chì modificanu a teoria di a gravità à grande scale (per esempiu, a gravità f(R)) in modu chì l'accelerazione apparisca senza una cumpunente separata di l'energia scura.
Sfide è Direzioni di Ricerca Future
Ancu s'è u ΛCDM hè diventatu u mudellu "standard" di a cosmologia, parechje dumande fundamentali restanu aperte:
– Chì ghjè l'identità di e particelle di materia scura ? Perchè ùn sò state rilevate in laburatoriu ?
– L'energia scura hè veramente una custante cosmologica ? O cambia cù u tempu ?
– Tensione di Hubble: e misurazioni di a velocità attuale di espansione di l'universu (H0) da a CMB è da e misurazioni lucali qualchì volta ùn currispondenu micca perfettamente, ciò chì aumenta a pussibilità di una nova fisica.
Diversi prughjetti d'osservazione è sperimentali sò in corsu per affruntà questu: grandi studii di galassie, misurazioni di lenti gravitazionali più precise, rivelatori di particelle di nova generazione è mappatura sempre più dettagliata di BAO. I progressi computazionali aiutanu ancu e simulazioni di a furmazione di strutture cosmiche, distinguendu trà scenarii di materia scura è alternative.
Penutup
A materia scura è l'energia scura sò dui cuncetti chjave chì formanu a nostra capiscitura muderna di l'universu. A materia scura hè principalmente "visibile" per via di a so influenza gravitazionale nantu à e galassie è l'ammassi di galassie, mentre chì l'energia scura hè nata da a necessità di spiegà l'espansione accelerata di l'universu. Mentre chì nè l'unu nè l'altru ùn hè cumpletamente capitu, u mudellu ΛCDM, chì combina i dui, hà dimustratu un successu rimarchevule in a currispundenza di parechje osservazioni.
Ma stu successu ùn hè micca a fine di a storia. In fatti, a "scurità" chì avvolge gran parte di u cosmos suggerisce chì ci sò sempre strati di fisica fundamentale da scopre. À misura chì a tecnulugia d'osservazione s'affina è l'esperimenti nantu à e particelle diventanu più sensibili, ci avvicinemu à risponde à e grande dumande: a materia scura hè una nova particella, l'energia scura hè una pruprietà di u spaziu viotu, o avemu bisognu di rivedere a nostra capiscitura di a gravità stessa.
