Studiare l'Universo dallo Spazio

12 Dicembre 2025

Il puzzle dell’universo

Da quando, oltre quattro secoli fa, Galileo Galilei rivolse per la prima volta un cannocchiale verso il cielo inaugurando l’astronomia moderna, la nostra comprensione dell’universo e delle leggi fisiche che ne governano i fenomeni è cresciuta in modo straordinario. Grazie a rivoluzioni concettuali, come la relatività generale di Albert Einstein, e a straordinari progressi tecnologici e osservativi, la cosmologia si è progressivamente trasformata in una scienza sempre più precisa. Oggi sappiamo che l’universo si espande in modo accelerato, siamo in grado di rivelare le onde gravitazionali e di captare segnali elettromagnetici provenienti da distanze immense, ben oltre la nostra galassia. Abbiamo ricostruito la storia cosmica fin dai primissimi istanti dopo il Big Bang e, grazie a strumenti d’avanguardia, possiamo persino ottenere immagini dell’orizzonte degli eventi di buchi neri supermassicci.

A partire della teoria della relatività generale di Einstein, dalle intuizioni di Georges Lemaître, e i dati del telescopio spaziale Hubble sull’espansione dell’universo, è stato sviluppato un modello cosmologico, chiamato Modello Standard Cosmologico (o modello Lambda-CDM) che descrive l’evoluzione dell’universo dai suoi primissimi istanti fino ai giorni nostri, riuscendo a riprodurre molte delle sue caratteristiche osservate: l’espansione cosmica, l’abbondanza degli elementi leggeri e la radiazione cosmica di fondo. In questo scenario, la fisica e astrofisica nucleare e la fisica delle particelle sono fondamentali per cercare di comprendere le primissime fasi dell’universo, i processi dell’inflazione, la transizione di fase elettrodebole, oltre a fenomeni come l’evoluzione stellare e la formazione degli elementi pesanti. Le osservazioni cosmologiche e i dati raccolti dai rivelatori a bordo di missioni spaziali mostrano tuttavia che, per quanto efficace, il modello potrebbe non essere completo. Diversi indizi sperimentali suggeriscono infatti la possibile necessità di ampliare il quadro teorico attuale introducendo nuova fisica, capace di spiegare fenomeni ancora non compresi. Gli interrogativi sulla natura dell’universo sono ancora molti e la nostra conoscenza continua a crescere come un grande puzzle che si compone nel tempo, grazie alle osservazioni sperimentali che confermano o mettono alla prova le previsioni teoriche. Questo è possibile grazie a rivelatori estremamente sofisticati, sviluppati ai confini della tecnologia nei laboratori di ricerca, tra cui quelli dell’INFN, fortemente impegnato in questo settore, e poi inviati nello spazio in missioni internazionali dedicate allo studio dell’universo. Nei paragrafi che seguono raccontiamo le principali tappe di questa avventura scientifica.

Studiare l’universo bambino

Cosa sappiamo oggi dell’origine dell’universo? Quando e come si è formato? La teoria scientifica sull’origine del cosmo prevalente è quella del Big Bang: 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. La teoria del Big Bang si è imposta all’attenzione della comunità scientifica nel corso dello scorso secolo, quando una serie di osservazioni sperimentali hanno messo progressivamente in crisi i modelli di universo stazionario che prevedevano un cosmo immutabile nello spazio e nel tempo. Le due prove decisive a favore della teoria del Big Bang furono l’osservazione dell’espansione dell’universo, grazie alle misurazioni raccolte dall’astronomo Edwin Hubble negli anni Venti del secolo scorso, e la scoperta della radiazione cosmica di fondo (CMB cosmic microwave background). Quest’ quest’ultima è una sorta di “eco” del Big Bang che tuttora permea l’intero universo, osservata per la prima volta in modo accidentale nel 1965 dai radioastronomi Arno Penzias e Robert Wilson, e che valse loro, nel 1978, il premio Nobel per la fisica. La scoperta della radiazione cosmica di fondo è considerata oggi una delle prove più valide della teoria del Big Bang.

Mappa delle anisotropie del fondo cosmico a microonde viste dal satellite dell'Esa Planck. (© Esa e Planck Collaboration)

Sono anni eccezionali per l’esplorazione dello spazio e per lo studio dell’universo in cui accade qualcosa che trasformerà in modo cruciale la ricerca in cosmologia e nelle alte energie. Nel giro di poco più di un decennio si passa dalla prima missione lunare umana, in cui Neil Amstrong, comandante dell’Apollo 11, mise per la prima volta piede sulla Luna, al lancio delle prime stazioni spaziali, la sovietica Saliut-1 nel 1971 e l’americana Skylab nel 1973, all’invio di sonde che trasmettono immagini dai pianeti del sistema solare. Con la televisione lo spazio entra anche nelle case. Nel 1977 vengono lanciate le due sonde Voyager per l’esplorazione del sistema solare esterno, con a bordo rivelatori in missioni spaziali NASA la cui durata prevista era inizialmente di pochi anni. Voyager 1 e Voyager 2 sono invece tuttora attive e con i loro quasi 50 anni di attività sono diventate la missione spaziale più longeva di sempre. Queste prime missioni spaziali hanno prodotto grandi quantità di informazioni sui grandi pianeti gassosi del sistema solare fornendoci anche dati interessantissimi sulla fisica delle alte energie, come ad esempio sui raggi cosmici.

Conoscere l’universo studiandolo dallo spazio

Effettuare misure con rivelatori che operano in orbita, oltre la protezione dell’atmosfera terrestre, rappresenta un salto tecnologico e concettuale enorme. Questa possibilità ha aperto una nuova frontiera nella ricerca sul cosmo e sulle alte energie. L’atmosfera agisce infatti come uno scudo naturale: blocca la maggior parte delle particelle e della radiazione provenienti dallo spazio, ad eccezione dei fotoni nelle bande del visibile e delle onde radio, entrambe forme di radiazione elettromagnetica, e dei neutrini, che interagiscono pochissimo con la materia. Tutte le altre lunghezze d’onda, dai raggi ultravioletti ai raggi X e gamma, così come gran parte dei raggi cosmici, vengono schermate. Questa protezione è stata fondamentale per lo sviluppo della vita, ma limita ciò che possiamo osservare dalla Terra. Oltrepassare l’atmosfera cambia radicalmente la nostra capacità di rivelare i segnali provenienti dall’universo. Dallo spazio possiamo studiare un ambiente fisico completamente diverso da quello accessibile con osservatori terrestri, e raccogliere informazioni preziose sulla struttura e sul funzionamento del cosmo. Per comprendere davvero l’universo, infatti, è necessario osservarlo in tutte le lunghezze d’onda: guardarlo solo dalla Terra equivale ad ascoltare una sinfonia con appena un paio di strumenti, perdendo la ricchezza dell’insieme. L’osservazione dallo spazio ci restituisce finalmente l’intera orchestra. Al tema della ricerca in fisica fondamentale condotta nello spazio è dedicato il numero 34 di Asimmetrie, la rivista istituzionale dell’INFN consultabile al link: https://www.asimmetrie.it/as34-editoriale/.

infografica "occhi sull'Universo", asimmetrie 34

Dallo spazio arrivano, infatti, le osservazioni cosmologiche che permettono di verificare predizioni teoriche fondamentali: dall’espansione dell’universo alla radiazione cosmica di fondo, fino alle informazioni sulla sua origine, confermando, almeno in parte, la teoria del big bang. Nel 1990, a bordo dello Space Shuttle, è stato lanciato il telescopio spaziale Hubble, progettato per osservare e fotografare l’Universo al di sopra dell’atmosfera terrestre, in orbita a circa 540 km dalla superficie del nostro pianeta. Questa missione targata NASA-ESA rappresenta uno dei più ambiziosi successi tecnologici e scientifici mai realizzati ed è tuttora operativa. Grazie ai suoi sofisticati strumenti, tra cui fotocamere ad alta risoluzione, spettrografi e rivelatori sensibili alle lunghezze d’onda del visibile, dell’ultravioletto e del vicino infrarosso, Hubble ha prodotto immagini straordinariamente nitide e dettagliate, trasformando profondamente la nostra comprensione dell’Universo.

Il telescopio ha ottenuto risultati eccezionali: ha confermato l’espansione dell’Universo misurando l’allontanamento reciproco delle galassie, come previsto da Edwin Hubble, ha fornito prove dell’esistenza di buchi neri supermassicci al centro della maggior parte delle galassie, studiando il moto delle stelle e del gas circostante, ha raccolto dati essenziali sulla formazione ed evoluzione delle galassie, osservandone anche alcune nelle prime fasi della loro storia. Le osservazioni di Hubble hanno inoltre permesso di determinare con maggiore precisione l’età dell’Universo, e hanno contribuito a rivelare l’espansione accelerata del cosmo, suggerendo la presenza dell’energia oscura.

rappresentazione artistica del satellite Planck (Esa)

Lanciato dall’ESA nel 2009, il satellite Planck è un telescopio spaziale progettato per studiare con estrema precisione la radiazione cosmica di fondo. Le sue misure hanno prodotto la mappa ad alta risoluzione più dettagliata mai ottenuta dell’universo primordiale, rivelando con accuratezza la distribuzione della CMB e le sue minuscole anisotropie: piccole variazioni di temperatura e densità che rappresentano le tracce delle fluttuazioni da cui si sarebbero formate le strutture cosmiche che osserviamo oggi. Grazie a Planck è stato possibile determinare con precisione senza precedenti parametri fondamentali dell’universo: la sua età, stimata in circa 13,8 miliardi di anni, e la sua composizione, di cui circa il 5% sarebbe costituito da materia ordinaria, il 27% da materia oscura e il 68% da energia oscura. Le osservazioni della missione hanno inoltre confermato e perfezionato i risultati ottenuti da esperimenti precedenti, come WMAP, consolidando il quadro del cosmo che utilizziamo oggi. Ma le questioni irrisolte sono ancora molte.

Studiare l’universo oscuro
Nel 2023 l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha lanciato Euclid, una missione dedicata a studiare l’evoluzione dell’Universo e la sua componente oscura. L’Italia svolge un ruolo di primo piano: il nostro Paese ha progettato la strategia osservativa della missione e coordina tutte le attività a terra per la ricostruzione e l’analisi dei dati. Un contributo fondamentale arriva anche alla realizzazione dei due strumenti scientifici a bordo del satellite: VIS (VISible Instrument) e NISP (Near Infrared Spectrometer Photometer). Il primo produrrà immagini ad alta risoluzione del cielo profondo; il secondo misurerà gli spettri di milioni di galassie. Insieme coprono diverse lunghezze d’onda grazie a un numero impressionante di pixel: 600 milioni per VIS e 63 milioni per NISP. Questi dati permetteranno di ricostruire la geometria dell’Universo con una precisione senza precedenti. Le osservazioni di Euclid potrebbero offrire indizi cruciali sull’origine dell’energia oscura, che, insieme alla materia oscura, si ipotizza avere un ruolo fondamentale nell’evoluzione e nella struttura stessa del cosmo. Entro la fine del 2030, Euclid avrà mappato circa un terzo dell’intero Universo osservabile, producendo una quantità di dati senza precedenti che rivoluzionerà la nostra comprensione dell’Universo.

Il mistero dell’antimateria

Tra le questioni aperte a cui la scienza cerca di dare risposte vi è quella dell’asimmetria tra materia e antimateria. Secondo le leggi della fisica, nel Big Bang materia e antimateria dovrebbero essere state create in quantità uguali ma i dati sembrano smentire la teoria, infatti, il nostro universo è prevalentemente costituito da materia. Dunque, dov’è finita l’antimateria? L’esperimento AMS-02 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) aiuta a indagare questo fenomeno cercando particelle di antimateria nei raggi cosmici. Ams-02 è l’evoluzione di un primo rivelatore inviato nello spazio già alla fine degli anni ‘90. In entrambi gli esperimenti l’INFN ha avuto un ruolo chiave sia nella costruzione dei rivelatori sia nell’analisi e nell’interpretazione dei risultati. Ams-02 è collocato sulla ISS che orbita a circa 400 km dalla Terra, l’unico posto abitato da umani nello spazio, dove da oltre dieci anni studia l’antimateria.

Il rivelatore AMS-02 è uno spettrometro magnetico. Il suo compito è studiare i raggi cosmici dotati di carica elettrica: quando queste particelle attraversano il rivelatore, la presenza del campo magnetico ne curva la traiettoria. L’andamento della curvatura permette di distinguere le particelle dalle antiparticelle, ad esempio identificando eventuali antiprotoni. L’esperimento cerca sia tracce di antimateria “pesante”, come i nuclei di anti-elio, mai osservati finora nello spazio, sia particelle più leggere di antimateria, come i positroni, la cui presenza potrebbe fornire indizi indiretti sulla natura della materia oscura.

Satellite AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) per lo studio dei raggi cosmici (© NASA)

Nei primi dieci anni di attività non sono state rivelate particelle di antimateria pesante, ma l’esperimento ha registrato fenomeni interessanti che sono attualmente oggetto di studio. La collaborazione AMS sta progettando un upgrade dell’esperimento, che sarà installato durante una serie di operazioni extraveicolari internazionali nel 2026. L’upgrade permetterà di implementare il campo visivo dello strumento, e quindi di incrementare in maniera significativa il numero di particelle osservate, con la possibilità di ricercare anche particelle estremamente rare, ancora non osservate nei raggi cosmici.

Nel 2006 è stato inviato nello spazio un altro importante esperimento dedicato allo studio dei raggi cosmici, si tratta del rivelatore satellitare PAMELA (Payload for Antimatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) frutto di una collaborazione tra INFN, l’Agenzia Spaziale Russa e istituti di ricerca russi, con la partecipazione dell’Agenzia Spaziale Italiana e il contributo delle agenzie spaziali e università tedesche e svedesi. PAMELA ha gettato nuova luce sui meccanismi di produzione, accelerazione e propagazione dei raggi cosmici nella nostra Galassia. Tra i risultati che hanno destato grande interesse vi è la scoperta inaspettata di una fascia di antiprotoni intorno alla Terra. Senza dubbio tra i più significativi e promettenti contributi scientifici della missione, c’è infine la prima misura sui flussi di positroni e antiprotoni, che, confermata in seguito anche da altri osservatori spaziali, ha permesso si aprire un nuovo campo di indagine sulla materia oscura.

Nel 2015 una nuova missione è stata inviata nello spazio alla ricerca di materia oscura: si tratta di DAMPE (DArk Matter Particle Explorer), figlio della linea di ricerca e tecnologia sviluppate congiuntamente da ASI ed INFN che ha dato luogo a PAMELA, AMS (01 e 02), e FERMI. L’esperimento DAMPE , che festeggia questo dicembre i dieci anni dall’inizio della missione, è un esperimento per lo studio delle astroparticelle di alte energie, progettato per rivelare elettroni e fotoni e identificare possibili segnali della presenza di materia oscura studiando le caratteristiche delle particelle ordinarie misurate dal rivelatore.

Le sorgenti più energetiche dell’universo

I raggi gamma custodiscono preziose informazioni sui processi più energetici e violenti dell’universo, come esplosioni di supernova, fusioni di stelle di neutroni e fenomeni legati ai buchi neri supermassicci. Per esplorare questo cielo “estremo” la NASA ha messo in orbita, nel 2008, il Fermi Gamma-ray Space Telescope, equipaggiato con strumenti avanzati progettati per rivelare la radiazione gamma proveniente da sorgenti cosmiche attive: galassie lontane, pulsar e lampi di raggi gamma. La missione, che unisce astrofisica e fisica delle particelle, è frutto di una collaborazione internazionale a cui l’Italia contribuisce in modo determinante tramite ASI, INAF e INFN. Nel corso degli anni, Fermi ha ottenuto risultati scientifici di grande rilievo, riconosciuti e premiati a livello mondiale.

Il satellite porta il nome di Enrico Fermi, che già nel 1949 suggerì un meccanismo capace di accelerare i raggi cosmici, particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce, tramite le onde d’urto generate dalle esplosioni di supernova. A bordo si trova il Large Area Telescope (LAT), a cui l’Italia garantisce un importante contributo tecnologico e scientifico. Analizzando l’intero cielo gamma ogni tre ore, il LAT ha identificato più di 6600 sorgenti di raggi gamma.

Determinante è stato anche il contributo del telescopio all’identificazione di numerose pulsar, stelle di neutroni che ruotano rapidamente emettendo impulsi regolari di radiazione.

Gamma ray burst, mappa del cielo visto da Fermi, 2016. (NASA/Fermi LAT Collaboration)

Accanto al LAT opera il Gamma-ray Burst Monitor (GBM), lo strumento secondario della missione, progettato per monitorare quasi l’intero cielo e rilevare i lampi gamma più brevi e intensi. Le sue osservazioni hanno fornito importanti verifiche sperimentali, tra cui un’ulteriore conferma della teoria generale della relatività di Einstein. Un momento storico è arrivato il 17 agosto 2017, quando Fermi ha registrato un lampo gamma proveniente da una potente esplosione nella costellazione dell’Hydra. Nello stesso istante, gli interferometri LIGO e VIRGO hanno rivelato onde gravitazionali generate dalla fusione di due stelle di neutroni. Per la prima volta, un singolo evento astrofisico è stato osservato contemporaneamente attraverso luce e onde gravitazionali. Questa scoperta, tuttora unica nel suo genere, segna simbolicamente la nascita dell’astronomia multimessaggera: un nuovo approccio all’esplorazione dell’universo che combina segnali diversi, fotoni, onde gravitazionali, particelle, per ottenere una visione più completa e approfondita dei fenomeni cosmici.

Studiare la polarizzazione della luce: l’universo riflesso

Quando osserviamo l’universo, le informazioni che raccogliamo provengono principalmente dalla luce, cioè dalla radiazione elettromagnetica emessa dagli oggetti celesti. Analizzandola possiamo ricostruire immagini, studiare il suo “colore” attraverso la spettroscopia, oppure osservare come varia nel tempo grazie alle misure di timing.

Un’ulteriore chiave di lettura è la polarizzazione della radiazione, che ci permette di capire come la luce è stata riflessa e diffusa, di ricostruire la geometria delle sorgenti e di ottenere indicazioni sull’orientamento dei campi magnetici. Si tratta di informazioni fondamentali, in particolare quando si studiano oggetti compatti e difficili da osservare direttamente, come buchi neri e stelle di neutroni.

Misurare la polarizzazione a raggi X è però estremamente complesso, a causa del modo in cui questi fotoni interagiscono con la materia. Per questo motivo la missione IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) rappresenta un traguardo storico: è il primo telescopio spaziale progettato per combinare misure di polarizzazione, imaging, spettroscopia e timing nei raggi X, offrendo così la visione più completa possibile dei processi fisici estremi. Lanciato nel dicembre 2021, IXPE ha osservato in questi anni oltre 100 sorgenti diverse, producendo risultati di grande rilievo. Tra questi, lo studio del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea, Sagittarius A*, che ha permesso di ottenere nuove informazioni sul comportamento dei buchi neri e sul loro ruolo nell’evoluzione delle galassie.

Rendering della missione spaziale IXPE - Imaging X-ray Polarimetry Explorer

immagine artistica della coalescenza di due buchi neri

Buchi neri: una nuova frontiera per la fisica fondamentale

Lo studio dei buchi neri sta diventando una delle frontiere della ricerca fondamentale, con un impatto rilevante sia sul piano scientifico sia su quello mediatico. Nel 2019 la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) ha ottenuto la prima immagine di un buco nero, M87*, situato a circa 55 milioni di anni luce dalla Terra e con una massa di oltre sei miliardi di volte quella del Sole. Questo risultato è stato possibile grazie a una rete globale di radiotelescopi che, lavorando in sinergia, formano un unico osservatorio virtuale delle dimensioni della Terra. I dati raccolti dall’EHT stanno aprendo la strada a studi di grande importanza, tra cui la verifica sperimentale delle predizioni della Relatività Generale di Einstein in condizioni estreme di gravità.

A dieci anni dalla prima rivelazione di onde gravitazionali, la collaborazione scientifica LVK degli interferometri LIGO, Virgo, e KAGRA, che si è unito nel 2020, ha osservato centinaia di eventi, in gran parte dovuti alla fusione di buchi neri. Queste osservazioni hanno rivelato una popolazione di buchi neri più ricca e variegata del previsto, ampliando la nostra comprensione dell’evoluzione delle stelle massive e dei sistemi compatti. I futuri osservatori gravitazionali come la missione spaziale LISA e l’osservatorio terrestre l’Einstein Telescope, offriranno una sensibilità senza precedenti e permetteranno di osservare un numero ancora maggiore di eventi. Sarà così possibile ricostruire l’evoluzione dell’intera popolazione di buchi neri lungo la storia dell’universo, aprendo nuove prospettive per la fisica fondamentale e per la cosmologia.

Uno sguardo al futuro: lo spazio come laboratorio di fisica fondamentale

Il legame tra l’esplorazione dello spazio e la fisica fondamentale è profondo e antico ma guarda al futuro. Oggi, infatti, disponiamo di strumenti completamente nuovi per indagare l’universo. Le osservazioni cosmologiche continuano a rivelare proprietà inattese del mondo fisico e, con l’avvento della astronomia multimessaggera, questo sguardo si è ampliato ulteriormente: non studiamo più gli eventi astrofisici e quindi il cosmo attraverso un solo messaggero ma anche grazie a messaggeri diversi, dalla radiazione elettromagnetica ai neutrini, alle onde gravitazionali. Come ricordava il premio Nobel Luis Álvarez, la fisica delle particelle moderna ha mosso i primi passi grazie all’esperimento di Marcello Conversi, Ettore Pancini e Oreste Piccioni, in cui il “muone da scoprire” arrivò naturalmente dai raggi cosmici che raggiungono la Terra dallo spazio. Allo stesso modo, oggi la nuova generazione di messaggeri cosmici e le missioni spaziali che li studiano potrebbero fornire le chiavi per rispondere ad alcune delle domande più profonde della ricerca fondamentale.

a cura di Ufficio Comunicazione INFN – COMUNICAZIONE ISTITUZIONALE E MEDIA