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I buchi neri potrebbero essere la fonte dell’energia oscura

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I buchi neri potrebbero spiegare una misteriosa forma di energia che costituisce la maggior parte dell’universo, secondo gli astronomi. L’esistenza di “energia oscura” è stata dedotta dalle osservazioni di stelle e galassie, ma nessuno è stato in grado di spiegare cosa sia o da dove provenga.

La materia, o materia, che costituisce il mondo familiare che ci circonda è solo il 5% di tutto ciò che esiste nell’universo. Un altro 27% è materia oscura, una controparte oscura della materia ordinaria che non emette, riflette o assorbe luce. Tuttavia, la maggior parte del cosmo – circa il 68% – è energia oscura.

La nuova prova che i buchi neri potrebbero essere la fonte dell’energia oscura è descritta in un articolo scientifico pubblicato su The Astrophysical Journal Letters. Lo studio è il lavoro di 17 astronomi in nove paesi ed è stato condotto dall’Università delle Hawaii.

Cercando tra i dati che coprono nove miliardi di anni di storia cosmica, gli astronomi hanno scoperto la prima prova di “accoppiamento cosmologico”, il che significherebbe che la crescita dei buchi neri nel tempo è legata all’espansione dell’universo stesso.

L’idea che i buchi neri possano contenere qualcosa chiamato energia del vuoto (una manifestazione di energia oscura) non è particolarmente nuova e infatti è stata discussa teoricamente fin dagli anni ’60. Ma quest’ultimo lavoro presuppone che questa energia (e quindi la massa dei buchi neri) aumenterebbe nel tempo man mano che l’universo si espande come risultato dell’accoppiamento cosmologico.

Il team ha calcolato quanta energia oscura nell’universo potrebbe essere attribuita a questo processo. Hanno scoperto che i buchi neri potrebbero potenzialmente spiegare la quantità totale di energia oscura che misuriamo oggi nell’universo. Il risultato potrebbe risolvere uno dei problemi fondamentali della cosmologia moderna.

Indice

Espansione rapida

Il nostro universo è iniziato con un Big Bang circa 13,7 miliardi di anni fa. L’energia di questa esplosione di spazio e tempo ha causato l’espansione rapida dell’universo, con tutte le galassie che si allontanavano l’una dall’altra. Tuttavia, ci aspettiamo che questa espansione rallenti gradualmente a causa dell’effetto della gravità su tutte le cose nel cosmo.

Questa è la versione dell’universo in cui pensavamo di vivere fino alla fine degli anni ’90, quando il telescopio spaziale Hubble scoprì qualcosa di strano. Le osservazioni di stelle esplosive lontane hanno mostrato che, in passato, l’universo si stava effettivamente espandendo più lentamente di quanto non lo sia oggi.

Quindi l’espansione dell’universo non ha rallentato a causa della gravità, come tutti pensavano, ma invece ha accelerato. Questo è stato molto inaspettato e gli astronomi hanno faticato a spiegarlo.

Per spiegare ciò, è stato proposto che una “energia oscura” fosse responsabile di separare le cose più fortemente di quanto la gravità le unisse. Il concetto di energia oscura era molto simile a un costrutto matematico che Einstein aveva proposto ma successivamente scartato: una “costante cosmologica” che si opponeva alla gravità e impediva all’universo di collassare.

Esplosioni stellari

Ma cos’è l’energia oscura? La soluzione, a quanto pare, potrebbe risiedere in un altro mistero cosmico: i buchi neri. I buchi neri nascono comunemente quando stelle massicce esplodono e muoiono alla fine della loro vita. La gravità e la pressione in queste violente esplosioni comprimono enormi quantità di materiale in un piccolo spazio. Ad esempio, una stella della stessa massa del nostro sole verrebbe schiacciata in uno spazio di poche decine di chilometri.

L’attrazione gravitazionale di un buco nero è così forte che nemmeno la luce può sfuggirle: tutto viene risucchiato. Al centro del buco nero c’è un luogo chiamato singolarità, dove la materia viene portata in un punto di densità infinita. Il problema è che le singolarità sono un costrutto matematico che non dovrebbe esistere.

L'energia oscura spiega perché l'espansione dell'universo sta accelerando. NASA/JPL-Caltech
L’energia oscura spiega perché l’espansione dell’universo sta accelerando. NASA/JPL-Caltech

I buchi neri annidati al centro delle galassie sono molto più pesanti di quelli nati quando le stelle muoiono violentemente. Questi buchi neri galattici “supermassicci” possono pesare da milioni a miliardi di volte la massa del nostro Sole.

Tutti i buchi neri aumentano di dimensioni accumulando materia, inghiottendo stelle che si avvicinano troppo o fondendosi con altri buchi neri. Quindi ci aspettiamo che diventino più grandi man mano che l’universo invecchia.

Nell’ultimo documento, il team ha esaminato i buchi neri supermassicci nei centri delle galassie e ha scoperto che questi buchi neri guadagnano massa nel corso di miliardi di anni.

Ripensamento radicale

Il team ha confrontato le osservazioni di galassie ellittiche, prive di formazione stellare, nel passato e nel presente. Queste galassie morte hanno esaurito tutto il loro combustibile, quindi qualsiasi aumento della massa del loro buco nero in questo periodo non può essere attribuito ai normali processi attraverso i quali i buchi neri crescono accumulando materia.

Invece, il team ha proposto che questi buchi neri contengano effettivamente energia del vuoto e che siano “accoppiati” all’espansione dell’universo, in modo che aumentino di massa man mano che l’universo si espande.

Questo modello fornisce chiaramente una possibile origine per l’energia oscura nell’universo. Aggira anche i problemi matematici che interessano alcuni studi sui buchi neri, perché evita la necessità di una singolarità al centro.

Il team ha anche calcolato quanta energia oscura nell’universo potrebbe essere attribuita a questo processo di accoppiamento. Hanno concluso che sarebbe possibile per i buchi neri fornire la quantità necessaria di energia del vuoto per spiegare tutta l’energia oscura che misuriamo oggi nell’universo.

Ciò non solo spiegherebbe l’origine dell’energia oscura nell’universo, ma ci farebbe anche ripensare radicalmente alla nostra comprensione dei buchi neri e del loro ruolo nel cosmo.

C’è ancora molto lavoro da fare per testare e confermare questa idea, sia dalle osservazioni del cielo che dalla teoria. Ma potremmo finalmente vedere un nuovo modo per risolvere il problema dell’energia oscura.

Autore

Chris PearsonThe Open UniversityDave ClementsImperial College di Londra