Astronomia: lampi di raggi gamma fanno luce sulla natura dell’energia oscura

di Renato Sansone

credit: FUW/Tentaris/Maciej Frolow

Qual è la natura dell’energia oscura, componente dominante dell’universo, scoperta di recente? E inoltre, l’accelerazione di espansione dell’energia oscura è una proprietà intrinseca dello spazio-tempo o piuttosto un campo sconosciuto alla scienza? Un nuovo metodo che determina la misura delle distanze sviluppato dagli scienziati della Facoltà di Fisica all’ Università di Varsavia (FUW) in Polonia, e all’Università di Napoli Federico II in Italia, sembra in grado di fornire la risposta. “Siamo in grado di determinare la distanza di un’esplosione sulla base delle proprietà della radiazione emessa durante lampi di raggi gamma“, ha detto Marek Demianski. “Dato che alcune di queste esplosioni sono legate agli oggetti più lontani nello spazio che conosciamo, siamo in grado per la prima volta di valutare la velocità di espansione dello spazio-tempo anche nei periodi relativamente vicini al il Big Bang.” Il metodo è stato utilizzato per verificare i modelli della struttura dell’universo contenente l’energia oscura. Nel 1998, durante l’analisi della luminosità delle supernovae di tipo Ia, si è scoperto che le esplosioni più remote sembravano essere troppo deboli. Supernovae di tipo Ia appaiono generalmente in sistemi binari. Una delle due stelle è una nana bianca, una reliquia di un ciclo evolutivo di stelle simili al nostro Sole. Quando la seconda stella del sistema entra nella fase di gigante rossa e gonfia i suoi strati esterni, contenenti principalmente idrogeno, cominciano a cadere sulla nana bianca, che cresce a poco a poco in massa. La nana bianca esplode ed è completamente lacerata quando raggiunge 1,4 masse solari. Perché le condizioni che innescano l’esplosione sono simili, ogni volta, le supernovae di tipo Ia rilasciano sempre più o meno la stessa quantità di energia. Gli astronomi si basano su questa proprietà per misurare le distanze nello spazio. La luminosità più debole delle supernovae di tipo Ia è stata una chiara indicazione che essi erano ancora più lontane di quanto fosse stato ipotizzato. Invece di rallentare l’espansione, l’universo stava accelerando. Una nuova forma di massa-energia (l’energia oscura appunto), aveva bisogno di essere introdotta nella teoria, al fine di conciliare i precedenti modelli dell’universo con le osservazioni. I calcoli indicano l’esistenza di una quantità enorme di energia oscura, quasi 20 volte superiore alla quantità di massa-energia legata al mondo accessibile ai sensi umani. “Nel tempo, l’energia oscura è diventata, letteralmente, il più grande mistero dell’universo“, ha detto Demianski. Fino ad oggi, nessuno sa esattamente che cosa sia l’energia oscura. Ci sono due modelli che spiegano la sua natura: secondo il primo, l’energia oscura è una proprietà descritta dalla costante cosmologica introdotta dal famoso scienziato Albert Einstein. Secondo il secondo modello invece, l’espansione accelerata è causata da qualche campo scalare sconosciuto. “In altre parole, lo spazio-tempo si espande da solo o si amplia di un campo scalare fisico al suo interno“, ha affermato Demianski. Esaminando la densità dell’energia oscura in vari periodi dopo il Big Bang ci può aiutare a scegliere il modello veritiero. Se la densità è rimasta costante, ciò significherebbe che l’energia oscura è legata alla costante cosmologica, vale a dire, la proprietà dello spazio-tempo. Ma se l’accelerazione dell’universo è causata da un campo scalare, dato il gonfiore dello spazio-tempo, la densità dell’energia oscura dovrebbe cambiare. “Questo era un problema. Al fine di valutare i cambiamenti nella densità dell’energia oscura immediatamente dopo il Big Bang, bisogna saper misurare la distanza di oggetti molto remoti. Così lontani che anche le supernove di tipo Ia ad essi collegati sono troppo deboli per essere osservate “, ha detto Demianski. Il gruppo di astrofisici italiani e polacchi hanno suggerito di usare i gamma-ray burst (GRB), le esplosioni più potenti dell’universo che siano mai state osservate attualmente, per misurare le distanze più grandi dell’universo. Essi hanno analizzato le fasi durante il collasso del nucleo di una stella di grandi dimensioni. Il processo porta alla formazione di un buco nero. La radiazione gamma emessa in quel momento è così intensa che è possibile osservare anche oggetti esplosi 400 milioni di anni dopo il Big Bang. Il problema principale era quello di valutare l’energia totale di una raffica. A tal fine, gli scienziati hanno analizzato i database delle esplosioni gamma precedenti. Si è scoperto che una parte delle esplosioni si è verificata nelle galassie la cui distanza poteva essere misurata usando altri metodi, ad esempio, per mezzo di supernovae di tipo Ia. “Ci siamo concentrati su tali distanze. Sapevamo la distanza della galassia, e sapevamo anche la quantità di energia del burst che ha raggiunto la Terra. Questo ci ha permesso di calibrare l’esplosione, vale a dire, calcolare l’energia totale dell’esplosione“, aggiunge Demianski. Il passo successivo era quello di trovare le dipendenze statistiche tra le varie proprietà della radiazione emessa nel corso di un GRB e l’energia totale dell’esplosione. Tali rapporti sono stati scoperti. “Non possiamo fornire una spiegazione fisica del perché alcune proprietà dei GRB siano correlati“, ha detto Demianski, “ma possiamo dire che se le radiazioni registrate hanno queste e quelle proprietà, lo scoppio aveva energia media“. Il team di scienziati delle università di Varsavia e di Napoli, diretto da Ester Piedipalumbo, hanno analizzato i dati raccolti dagli astronomi. I GRB estremamente remoti sono piuttosto rari. Il catalogo Amanti riporta elencati 95 di tali fenomeni e non ha fornito indizi sufficienti per l’esatta natura dell’energia oscura. “E’ una delusione. Ma ciò che è importante è il fatto che abbiamo nelle nostre mani uno strumento per la verifica di ipotesi sulla struttura dell’universo. Tutto quello che dobbiamo fare ora è attendere i prossimi fuochi d’artificio cosmici“, ha detto Demianski. La quantità insufficiente di dati osservativi rimane il problema principale nell’analisi dei dati di GRB. Per questo motivo, molti gruppi di astronomi e astrofisici cercheranno di unire i loro sforzi al fine di registrare in maniera più veloce e nel modo più accurato possibile. Uno di questi progetti è “Pi del Cielo”, un sistema di telescopi robotici per il monitoraggio in tempo reale di vaste aree del cielo, co-organizzato dalla Facoltà di Fisica e dall’Università di Varsavia.

Fonte: http://www.meteoweb.eu