La traduzione in Italiano del tutorial di cosmologia di Ned Wright è stata effettuata da Paolo Sirtoli ed Alessandro Melchiorri nel 2000. Questo tutorial costituisce un corso di base sui fondamenti della cosmologia moderna, ed effettivamente non ci sono stati grossi cambiamenti da allora ad oggi. Ovviamente, alcune misure sono state raffinate e migliorate, in modo che alcuni valori riportati sono oggi considerati leggermente differenti, ma nessuna delle conclusioni riportate nel tutorial è in particolare disaccordo con la cosmologia corrente.
Premesso questo, bisogna però riconoscere che negli ultimi 5 anni la cosmologia ha effettuato rapidi progressi, e nuove conoscenze sono state aggiunte. In particolar modo, nel 2003 sono stati annunciati i risultati della missione WMAP sulla radiazione cosmica di fondo, che hanno permesso di determinare con grande precisione le costanti cosmologiche fondamentali, ed in particolare il contenuto di materia nell’Universo. Combinando questi risultati con altre osservazioni di varia natura (particolarmente, lo studio delle supernovae lontane e della struttura su larga scala dell’Universo), il risultato emerso è sorprendente. La maggior parte dell’energia dell’Universo sarebbe sotto forma della cosiddetta energia oscura, una forma non meglio definita di energia che permea lo spazio vuoto. Il termine oscuro sta ad indicare che questa energia non è rilevabile sotto forma di radiazione elettromagnetica, ma è anche ben appropriato a descrivere il nostro stato di sostanziale ignoranza su questo fenomeno. La componente oscura costituirebbe all’incirca ben il 70% dell’energia dell’Universo. Il restante 30% sarebbe invece costituito da materia, ma – altro fatto sorprendente – solo all’incirca il 5% sarebbe costituito da materia ordinaria (principalmente protoni e neutroni), mentre la gran parte sarebbe sotto forma di particelle di natura non meglio identificata.
Questa descrizione può lasciare un po’ insoddisfatti: come è possibile che una teoria “accreditata” sia basata per il 95% su componenti “sconosciute” o “non meglio identificate”? Il fatto è che pur non sapendo di cosa siano costituite queste componenti, gli effetti prodotti sono ben visibili e determinati. Si può pensare, come analogia, ad un grosso pacco pesante, di cui non possiamo vedere il contenuto, ma non per questo assumiamo che sia vuoto! Per rispondere alla domanda, dunque si può affermare che la novità più rilevante di cui il tutorial non tratta è stata proprio la “comparsa in scena” dell’energia oscura, supportata da un discreto numero di osservazioni. Con buona precisione, l’Universo appare in uno stato critico, quello cioè per cui la densità totale di energia è esattamente pari al valore necessario per passare da un Universo chiuso ad uno aperto.
Ci sono stati altri importanti progressi nel campo della cosmologia, che riguardano in particolare lo studio delle galassie lontane. Questo è stato possibile grazie alla grande potenza dei telescopi attualmente in uso, che permettono di osservare oggetti deboli e lontani. Questi sforzi, globalmente, cercano di rispondere alla domanda: «Come si sono formate le galassie?». Per far questo, è necessario catalogare gli oggetti nell’Universo, contarli, misurarne le proprietà (masse, dimensioni, numero di stelle, tipo di stelle costituenti…), e studiarne l’evoluzione nel tempo. Le misure recenti hanno fornito numeri precisi e dettagliati, che, assieme ad un lavoro di comprensione teorica e sofisticati modelli al computer, hanno portato alla formulazione del modello “ΛCDM”, in cui la dinamica generale delle galassie e degli ammassi di galassie è determinata dalla presenza di materia oscura “fredda” (in Inglese, cold dark matter, o CDM) immersa in un Universo permeato dall’energia oscura (rappresentata dalla lettera greca Λ). Questo modello permette di comprendere ragionevolmente bene la struttura dell’Universo osservato a partire dalle condizioni iniziali presenti poco dopo il Big Bang e determinate dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo.
Da ultimo, qui sotto sono riportate le determinazioni più recenti ed accurate di alcune quantità fondamentali riportate nel tutorial (cui si rimanda per una spiegazione approfondita).
| Costante di Hubble H0 | 70±2 km s-1 Mpc-1 |
| Densità della materia ordinaria ρb | (0.044±0.002)ρc |
| Densità della materia ρm | (0.27±0.02)ρc |
| Densità dell’energia oscura ρΛ | (0.73±0.02)ρc |
Questi parametri sono tratti dalle pagine web di WMAP. La densità ρc rappresenta la densità critica ovvero quel valore della densità per cui l’Universo si trova “in bilico” tra l’essere aperto ed essere chiuso. Secondo le misure correnti, la densità critica è 9×10-30 g cm-3 (equivalente a 6 protoni per m3). Accanto a queste misure (basate sulla radiazione cosmica di fondo), ne esistono altre, complementari, e generalmente in accordo con queste. Per esempio, la stima più recente del prodotto H0×t0 (dove t0 è l’età dell’Universo) è 0.99±0.12. L’età degli ammassi globulari è stata accuratamente rivista e si aggira tra il 12 e 14 miliardi di anni. In particolare, le misure dirette dell’età dell’Universo suggeriscono 14.5±2.5 miliardi di anni (datazione basati sui radioisotopi) oppure 12.8±1.1 milardi di anni (datazione basata sulle stelle nane bianche). L’età a cui l’Universo è diventato trasparente alla radiazione è stimata attorno ai 380000 anni, corrispondente ad un redshift z=1090. Questi valori sostituiscono e migliorano alcuni dei valori riportati nel tutorial (cui si rimanda per la spiegazione del loro significato).
Una nota conclusiva: il quadro mostrato sopra pare molto preciso e “definitivo”. In cosmologia, però, gli effetti da considerare sono molti, e sottili; è importante mantenere sempre un occhio critico verso ogni nuova scoperta ed affermazione. Non ci sarebbe da stupirsi se nei prossimi anni alcuni dei risultati oggi considerati “sicuri” venissero falsificati (cosa accaduta diverse volte nel passato). Sarebbe però sorprendente se l’intera costruzione che abbiamo dell’Universo si rivelasse incorretta.
Link correlati.
Tutorial di cosmologia: su ViaLattea e versione originale di Ned Wright.
Ned Wright mantiene (in Inglese) un notiziario con tutte le novità in cosmologia.
Sito del satellite WMAP (in Inglese).
Una risposta di ViaLattea sull’energia oscura (a cura di Luca Boschini).
Un’intervista a Carlo Baccigalupi (SISSA, Trieste) che parla anche della cosmologia corrente.