Capitolo 13: Il mistero dell’energia oscura

Notte 150: Una spinta gentile

Il giorno 150 della missione, la stazione doveva sollevarsi un po’ più in alto sopra la Terra. Questa manovra si chiama innalzamento dell’orbita, e avviene di tanto in tanto. A circa 400 chilometri di altezza non c’è quasi aria, ma non manca del tutto. Una traccia sottilissima dell’atmosfera arriva ancora fin lassù. Ogni secondo la stazione urta moltissime di quelle particelle d’aria sparse e rarefatte, e tutte insieme la rallentano di una quantità minima. Nel corso di settimane e mesi, la stazione scende lentamente più in basso. Così, ogni tanto, i suoi motori si accendono per spingerla di nuovo su.

Noor lo trovava un fatto silenziosamente sorprendente. Perfino qui, molto al di sopra delle nuvole e del tempo atmosferico, la stazione non era del tutto libera dall’aria della Terra. Senza queste piccole spinte, la stazione scenderebbe sempre più in basso nel corso degli anni, l’aria intorno a lei diventerebbe più densa, e alla fine precipiterebbe nell’aria densa sottostante. Così l’innalzamento dell’orbita è una specie di manutenzione ordinaria, come controllare le gomme di un veicolo o oliare una porta. Nessuno a terra lo vede, ma fa sì che tutto continui a funzionare.

L’innalzamento era pianificato dalle squadre a terra, e i motori erano controllati da lì e dai computer della stazione. Il compito dell’equipaggio era prepararsi. Noor e Tomás passarono in rassegna i moduli e controllarono che niente di libero fluttuasse dove avrebbe potuto essere spinto dal piccolo cambiamento di velocità. Gli attrezzi furono riposti. Le telecamere furono fissate. Un esperimento che misura movimenti minuscoli fu messo in pausa. Noor strinse le cinghie di una sacca di vestiti che da giorni voleva sistemare.

Quando i motori si accesero, non ci fu nessun rombo. Ci fu solo una spinta morbida e costante. Noor si teneva a un corrimano vicino alla finestra, e sentì attraverso di esso un leggero strattone mentre la stazione si muoveva in avanti intorno a lei. Una penna che qualcuno aveva dimenticato scivolò lentamente verso il fondo del modulo. Tomás la afferrò senza guardare, come afferra quasi tutto. Dopo diversi minuti i motori si spensero, e tutto tornò a fluttuare come prima. Ora la stazione era un po’ più in alto e sarebbe rimasta lassù più a lungo.

Qualche minuto dopo, una voce calma da terra confermò che l’innalzamento era andato come previsto. Tomás annotò l’ora nel registro, e Noor e Ade ripassarono i moduli, disfacendo uno per uno i preparativi della mattina. L’esperimento in pausa ripartì. Le telecamere furono sganciate. All’ora di pranzo la stazione aveva esattamente lo stesso aspetto di prima, solo un po’ più in alto sopra le nuvole.

Quella sera Noor raccontò a Sami dell’innalzamento. Lui lavora con i veicoli tutte le notti, e capì subito. «Quindi è come il furgone in salita», scrisse. «Se smetti di premere il pedale, rallenti.» Poi le chiese un’altra cosa. «Anche l’universo rallenta? Se tutto è volato via dopo il Big Bang, non dovrebbe ormai stare rallentando?»

Noor sorrise allo schermo. Per gran parte del Novecento gli astronomi si posero esattamente la stessa domanda, e si aspettavano la stessa risposta. La storia di stanotte parla di ciò che trovarono invece. È una delle più grandi sorprese della storia dell’astronomia, ed è ancora un mistero.

Aspettando il rallentamento

Pensa a lanciare una palla dritta verso l’alto. Mentre sale, la gravità della Terra la attira, e la palla rallenta. Se la lanci piano, rallenta, si ferma e ricade nella tua mano. Se potessi lanciarla con una forza enorme, potrebbe sfuggire del tutto alla Terra, ma continuerebbe a rallentare per tutto il tragitto, perché la gravità non smette mai di attirare.

Per molti anni gli astronomi pensarono all’universo in espansione in modo simile. Dopo l’inizio caldo, le galassie si allontanano, perché lo spazio si stira. Ma tutta la materia dell’universo attira tutta l’altra materia attraverso la gravità. Così sembrava naturale pensare che questa attrazione avrebbe frenato lentamente l’espansione. L’unica domanda sembrava essere quanto fosse forte la frenata. L’espansione avrebbe rallentato così tanto da fermarsi un giorno e invertirsi? Oppure avrebbe rallentato per sempre senza mai fermarsi del tutto?

La teoria della gravità di Albert Einstein, che lui completò nel 1915, ammetteva diversi futuri possibili per un universo pieno di materia. Nel 1922 Alexander Friedmann elaborò sulla carta alcune di queste possibilità. In un tipo di universo l’espansione rallenta e poi si inverte, e tutto ricade insieme. In un altro tipo l’espansione rallenta ma non si ferma mai. In quale tipo viviamo dipenderebbe da quanta materia contiene l’universo. Per decenni, misurare quella quantità e il rallentamento dell’espansione fu uno dei compiti centrali dell’astronomia.

Per rispondere, gli astronomi dovevano confrontare l’espansione di adesso con quella di molto tempo fa. Ricorda che guardare lontano significa guardare indietro nel tempo. Se riesci a misurare quanto velocemente si allontanavano galassie molto lontane quando la loro luce è partita, e lo confronti con le galassie vicine, puoi vedere se l’espansione è cambiata. È un po’ come controllare la velocità di un veicolo in una vecchia registrazione e confrontarla con la sua velocità di oggi.

La parte difficile era misurare le distanze di galassie lontanissime. Le stelle pulsanti studiate da Henrietta Leavitt sono luminose, ma non abbastanza da essere viste alle distanze più grandi. Gli astronomi avevano bisogno di un tipo di lampada molto più luminosa, di cui conoscessero la luminosità reale. La trovarono in un tipo speciale di stella che esplode.

Stelle che esplodono come lampade di misura

Alcune stelle che esplodono cominciano come nane bianche, i piccoli resti densi di stelle come il Sole che abbiamo incontrato in una notte precedente. Quando una nana bianca ha una stella compagna vicina, può raccogliere lentamente materia da quella compagna. Quando diventa troppo pesante, esplode in un modo molto luminoso e abbastanza regolare. Le esplosioni di questo tipo raggiungono ogni volta quasi la stessa luminosità massima, e gli astronomi impararono a correggere le piccole differenze tra l’una e l’altra. Questo le rese utili come lampade di misura visibili attraverso miliardi di anni luce.

Il metodo è semplice da descrivere, anche se il lavoro è molto difficile. Se sai quanto è luminosa davvero una lampada, puoi capire quanto è lontana da quanto appare debole. Un lampione in fondo a una lunga strada sembra fioco, non perché sia debole, ma perché è lontano. Allo stesso modo, una debole stella di questo tipo che esplode deve essere molto lontana.

Negli anni Novanta, due squadre separate di astronomi si proposero di usare queste esplosioni per misurare il rallentamento dell’espansione. Il lavoro richiedeva pazienza. In una singola galassia queste esplosioni sono rare, quindi le squadre dovevano osservare un gran numero di galassie, cogliere le esplosioni mentre erano luminose e poi misurarle con cura con grandi telescopi. Molte persone lavorarono per lunghe notti, confrontarono gli appunti e discussero ogni passaggio.

Nel 1998 entrambe le squadre annunciarono lo stesso risultato. Le esplosioni lontane erano più deboli del previsto. Questo significava che erano più lontane di quanto avrebbero dovuto essere se l’espansione stesse rallentando. La spiegazione migliore era l’opposto di ciò che quasi tutti si aspettavano. L’espansione dell’universo non stava rallentando. Da alcuni miliardi di anni sta accelerando.

Ciò che rese il risultato così convincente fu che veniva da due squadre separate. Le squadre lavoravano in modo indipendente, usavano i propri telescopi e i propri metodi di controllo, ed erano, in modo amichevole, in gara per arrivare prime. Se una sola squadra avesse trovato l’accelerazione, altri scienziati avrebbero potuto sospettare un errore nel suo lavoro. Quando entrambe trovarono la stessa risposta sorprendente, il risultato diventò molto più difficile da respingere. Nella scienza, come in molti luoghi di lavoro, un risultato a cui arrivano separatamente due gruppi attenti vale più di un risultato visto da un solo gruppo.

All’inizio molti scienziati erano incerti. Forse la polvere attenuava la luce? Forse le esplosioni di molto tempo fa erano un po’ diverse? Queste domande furono verificate più e più volte negli anni seguenti. Da allora altri tipi di misura, comprese mappe dettagliate della luce più antica e del modo in cui le galassie sono distribuite nello spazio, hanno indicato la stessa direzione. L’accelerazione dell’espansione è oggi una parte ampiamente accettata del quadro.

Il quadro completo emerso da questo lavoro ha due parti. Per i primi miliardi di anni dopo l’inizio caldo, l’espansione stava davvero rallentando, proprio come si aspettavano gli astronomi, perché la materia era più fitta e la sua gravità era forte. Ma mentre lo spazio si stirava e la materia si diradava, la sua frenata diventò più debole. Alcuni miliardi di anni fa, una spinta sconosciuta, a cui daremo un nome tra un momento, diventò più forte della frenata della materia, e l’espansione cominciò ad accelerare. Quindi gli astronomi del Novecento non si sbagliavano sulla gravità. Mancava loro soltanto una seconda parte, inattesa, della storia.

Dare un nome al mistero

Se l’espansione accelera, qualcosa deve causarlo. Gli scienziati non sanno che cosa sia questo qualcosa. Gli diedero comunque un nome: energia oscura. Si chiama «oscura» perché non brilla e non si può vedere direttamente, ed «energia» perché sembra agire sull’intero universo. Ma il nome è un’etichetta su una scatola vuota. Ci dice che qualcosa c’è, non ci dice che cosa sia.

Secondo le misure attuali, il contenuto totale dell’universo si può dividere più o meno così. La materia ordinaria, quella che forma stelle, pianeti, gas e persone, è solo circa il 5 per cento. La materia oscura, che abbiamo incontrato in una notte precedente, è circa il 27 per cento. L’energia oscura è circa il 68 per cento. In altre parole, tutto ciò che abbiamo mai visto con i nostri telescopi è solo una piccola parte di ciò che l’universo contiene. Il resto è conosciuto solo attraverso i suoi effetti.

Può aiutare immaginarlo come il bilancio di una famiglia. Immagina di studiare le tue spese di un mese e di scoprire che solo cinque parti su cento vanno a cose che sai nominare: affitto, cibo, spostamenti. Circa ventisette parti vanno a qualcosa di cui senti l’effetto ma che non vedi su nessuno scontrino. E circa sessantotto parti vanno a qualcosa di ancora più strano, che sembra far crescere tutto il bilancio ogni mese. Vorresti moltissimo capire quelle due voci nascoste. È la situazione in cui si trovano oggi gli astronomi.

Una possibilità è che l’energia oscura sia una proprietà dello spazio vuoto stesso. Se perfino lo spazio completamente vuoto contiene una piccola quantità di energia, allora, mentre lo spazio si stira, c’è più spazio vuoto, e più di questa energia. Questa energia spingerebbe avanti l’espansione. È interessante che questa idea riporti in scena un termine che Albert Einstein aggiunse alle sue equazioni nel 1917, quando voleva descrivere un universo immobile. In seguito rinunciò a quel termine, quando fu scoperta l’espansione. Oggi lo stesso termine ritorna con un nuovo ruolo, non per tenere fermo l’universo ma per descriverne l’accelerazione.

Ma questa non è l’unica possibilità. Alcuni scienziati pensano che l’energia oscura possa cambiare nel tempo. Altri si chiedono se la nostra teoria della gravità debba essere modificata quando guardiamo le distanze più grandi. Al momento non c’è una risposta condivisa. Grandi nuove indagini del cielo stanno misurando le posizioni e le distanze di un numero enorme di galassie, per vedere con più precisione come è cambiata l’espansione nel tempo. Queste misure potrebbero un giorno mostrare quali idee sono sulla strada giusta.

Due misure che non concordano

C’è un’altra domanda aperta, legata all’espansione, su cui gli astronomi lavorano oggi. Riguarda quanto velocemente si sta espandendo l’universo in questo momento. Ci sono modi diversi per misurarlo. Un modo è misurare le distanze e le velocità delle galassie vicine, usando stelle pulsanti e stelle che esplodono, come nel lavoro che abbiamo descritto. Un altro modo è partire dalla mappa dettagliata della luce più antica e calcolare, usando la nostra migliore teoria dell’universo, quanto dovrebbe essere veloce l’espansione oggi.

Entrambi i metodi sono accurati, ed entrambi sono stati controllati molte volte. Eppure danno risposte leggermente diverse. La differenza non è enorme, ma è più grande degli errori previsti delle misure. È un po’ come due lavoratori attenti che misurano la stessa stanza con due strumenti diversi e ottengono risultati che differiscono di una quantità piccola ma ostinata. Ciascuno controlla il proprio strumento, e ogni strumento sembra a posto.

Nessuno sa ancora perché le risposte differiscano. Forse in uno dei metodi si nasconde un piccolo errore che nessuno ha trovato. Forse alla nostra teoria dell’universo manca qualcosa, per esempio qualcosa sull’energia oscura o sull’universo primordiale. Gli scienziati stanno verificando entrambe le possibilità con nuovi telescopi e nuovi metodi. È un esempio onesto di come funziona la scienza: quando due buone misure non concordano, gli scienziati non scelgono quella che preferiscono. Continuano a misurare finché non capiscono.

I nuovi telescopi stanno aiutando con questa domanda. Il telescopio spaziale James Webb, che vede la luce infrarossa, può guardare attraverso la polvere e distinguere singole stelle pulsanti nelle galassie più chiaramente di quanto potessero fare i telescopi precedenti. Gli astronomi lo usano, insieme ad altri telescopi, per controllare passo dopo passo le misure delle distanze vicine. Nel frattempo altre squadre stanno migliorando i calcoli basati sulla luce più antica. Ogni nuovo risultato viene seguito da vicino, perché una risposta chiara, in qualunque direzione vada, ci insegnerebbe qualcosa di importante.

Per chi lavora, c’è qualcosa di familiare in tutto questo. Molti di noi hanno avuto al lavoro un problema che non voleva saperne di andarsene, un numero che non tornava o una macchina che a volte si fermava senza un motivo chiaro. La soluzione arriva spesso lentamente, da controlli pazienti. Anche l’universo viene compreso un controllo paziente alla volta.

Prima di dormire

A tarda sera, Noor andò fluttuando verso la finestra. Quel giorno la stazione si era alzata un po’, ma dall’interno niente sembrava diverso. La Terra girava sotto, e le stelle brillavano sopra il bordo dell’aria. Da qualche parte oltre quelle stelle, le galassie si allontanano ogni anno un po’ più in fretta, spinte da qualcosa che nessuno ha mai visto.

Scrisse a Sami. «Hai fatto bene a chiedere. Gli astronomi si aspettavano che l’universo stesse rallentando, come il tuo furgone in salita senza il pedale. Ma quando hanno misurato, hanno trovato l’opposto. L’espansione sta accelerando. Chiamano la causa energia oscura, ma nessuno sa che cosa sia. Quindi stanotte la tua domanda è una delle più grandi domande della scienza.»

Prima di addormentarsi, pensò a quanto fosse strano lavorare su una stazione che ha bisogno di essere spinta per restare dove si trova, dentro un universo che sembra spinto verso l’esterno da qualcosa che nessuno comprende. La lenta discesa della stazione e l’accelerazione dell’universo erano state notate entrambe nello stesso modo, da persone che avevano guardato con attenzione i numeri e avevano visto che qualcosa non tornava.

Alle tre del mattino, Sami lo lesse nella cabina del suo furgone. «Quindi l’universo ha il piede sul pedale», rispose, «e nessuno sa di chi sia il piede.» Noor lesse la sua risposta al risveglio, e pensò che non fosse affatto una cattiva descrizione.

Può essere un conforto sapere che perfino le persone che studiano l’universo per tutta la loro vita lavorativa non hanno tutte le risposte. Se stanotte qualcosa nella tua vita è ancora poco chiaro, sei in ottima compagnia. Alcune domande trovano risposta in fretta. Altre richiedono pazienza, lavoro accurato e tempo.

Equivoci comuni

Molti pensano che l’energia oscura e la materia oscura siano la stessa cosa, perché entrambe hanno «oscura» nel nome. In realtà sono molto diverse. La materia oscura tiene insieme le cose. La sua gravità tiene uniti le galassie e gli ammassi di galassie e li ha aiutati a formarsi. L’energia oscura sembra fare l’opposto: spinge l’espansione dell’universo ad andare più veloce. Entrambe si chiamano «oscure» perché non possiamo vederle direttamente, ed entrambe non sono ancora comprese. Ma sono due misteri separati.

Molti pensano anche che l’energia oscura sia un tipo di energia che potremmo raccogliere e usare, come l’energia di una batteria o della luce del Sole. Lo fa pensare il suo nome. Ma l’energia oscura, qualunque cosa sia, è distribuita in modo estremamente rarefatto nello spazio. Nello spazio di una stanza, o perfino dell’intera Terra, non ce ne sarebbe quasi niente. Il suo effetto diventa importante solo sulle enormi distanze tra i gruppi di galassie. Non è una fonte di energia per le macchine, e nessuno sa come potrebbe essere usata, nemmeno in linea di principio.

Infine, alcuni pensano che gli scienziati sappiano già come finirà l’universo, per esempio che si farà a pezzi, che congelerà o che ricadrà su se stesso. Forse hai letto idee del genere presentate come fatti. La verità è che il futuro lontano dipende dalla natura dell’energia oscura, e non conosciamo ancora la sua natura. Se resterà come sembra essere adesso, l’espansione continuerà ad accelerare, e le galassie lontane usciranno lentamente dalla vista. Ma se l’energia oscura cambierà, il futuro potrebbe essere diverso. Nella prossima notte, durante un turno di guardia tranquillo, andremo fino ai confini estremi di ciò che sappiamo e ci chiederemo che cosa ci sia oltre.