Le osservazioni sulle velocità delle galassie raccolte da Edwin Hubble, negli anni Venti dello scorso secolo, hanno dimostrato che il nostro universo non è statico ma in espansione, fornendo una delle prime prove solide a favore della teoria del big bang. Tuttavia più di recente, nel 1998, misurazioni su supernova e da parte di gruppi di ricerca guidati dai ricercatori statunitensi Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess hanno aggiunto un inatteso tassello al mosaico: non solo l’universo si sta espandendo, ma tale espansione sembra essere accelerata. Per spiegare questo comportamento, è necessario ammettere l’esistenza di una misteriosa “antigravità” che si oppone alla contrazione indotta dalla forza gravitazionale, rappresentata da un termine aggiuntivo nell’equazione di campo di Einstein chiamato “costante cosmologica”. Questa forma di energia sconosciuta invisibile e omogenea è stata chiamata “energia oscura” e costituisce circa il 70% della densità di energia dell’universo: riuscire a comprenderne la natura rappresenta una delle sfide aperte più impegnative della fisica contemporanea.
Negli anni sono state avanzate diverse ipotesi sulla natura dell’energia oscura. La più semplice prevede che quest’ultima coincida con la cosiddetta “energia del vuoto”: secondo le leggi della meccanica quantistica, lo spazio vuoto non sarebbe in realtà veramente tale, ma continuamente animato da fluttuazioni quantistiche che portano alla creazione e distruzione di particelle e antiparticelle “virtuali”. Il vuoto, insomma, avrebbe una sua energia, il cui effetto sulla scala dell’universo potrebbe giustificare l’esistenza dell’energia oscura. Tuttavia, il valore atteso dell’energia del vuoto è drammaticamente più grande rispetto a quello indicato dalle osservazioni sull’espansione accelerata, a sottolineare che la strada verso una piena comprensione dell’energia oscura è ancora molto lunga.
Mentre non mancano altre ipotesi teoriche più “esotiche”, un aiuto potrebbe arrivare dagli esperimenti spaziali: in particolare il telescopio Euclid dell’Agenzia Spaziale Europea, lanciato nel luglio 2023, ha tra i suoi obiettivi quello di indagare la natura della materia oscura e dell’energia oscura. L’INFN partecipa attivamente a questo programma con le sue ricercatrici e ricercatori.
La teoria della relatività generale, pubblicata da Albert Einstein nel 1915, è uno dei capisaldi della fisica moderna. È una teoria che descrive le interazioni gravitazionali, generalizzando e superando la precedente teoria di Isaac Newton, elaborata quasi tre secoli prima.
Il modello standard della cosmologia, chiamato anche modello Lambda-CDM, è il più semplice quadro teorico in grado di fornire una buona descrizione di tutti i fenomeni cosmologici osservati con soli 6 parametri liberi.
Quella del Big Bang è la teoria scientifica sull’origine del cosmo attualmente più accreditata: postula che il nostro universo abbia avuto origine circa 13,8 miliardi di anni fa da uno stato estremamente caldo e denso, e che da allora si sia espanso in modo sostanzialmente continuo.
L’universo è costantemente attraversato da particelle elementari e subatomiche, che viaggiano nello lo spazio ad altissima velocità. Molte di queste arrivano sulla Terra, portando con sé informazioni molto preziose sui fenomeni astrofisici che le hanno prodotte.
Le onde gravitazionali sono increspature dello spaziotempo prodotte da grandi masse in moto accelerato nel corso di violenti fenomeni astrofisici, come per esempio eventi di fusione tra coppie di buchi neri o stelle di neutroni.
Il 17 agosto 2017, una coalescenza di stelle di neutroni avvenuta nella galassia NGC 4993 (a circa 130 milioni di anni luce da noi) è stata osservata contemporaneamente dagli osservatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo e da numerosi telescopi elettromagnetici (dalle onde radio fino agli energetici raggi gamma) in tutto il mondo.
I buchi neri sono tra gli oggetti cosmici più affascinanti e misteriosi. Furono ipotizzati per la prima volta nel 1916, un anno dopo la pubblicazione da parte di Albert Einstein della sua teoria della relatività generale, quando l’astronomo tedesco Karl Schwarzschild presentò la prima soluzione esatta delle equazioni della teoria, note come “equazioni di Einstein”.
La materia oscura è una forma di materia invisibile ai telescopi, che non emette radiazione elettromagnetica e la cui (presunta) esistenza è oggi rilevabile soltanto in modo indiretto, attraverso i suoi effetti gravitazionali.