«Ecco cosa sappiamo dell’universo oscuro»

La maggior parte dell’universo, diciamo il 95%, è costituito da due elementi di cui sappiamo pochissimo: la materia oscura e l’energia oscura. Come dire che il granello di polvere su cui viviamo che gira nel cosmo e chiamiamo Terra volteggia dentro un immenso mistero che abbiamo appena cominciato ad esplorare (per esempio al CERN di Ginevra). Un tema affascinante e sfuggente, per molti di noi arabo puro, che sarà oggetto di una conferenza divulgativa lunedì sera alle 20 e 30 all’aula Magna del liceo cantonale di Locarno (ingresso libero). Il relatore, che oggi è un affermato astrofisico attivo a Londra, conosce bene l’istituto locarnese visto che nel 1996 ne è uscito col diploma di maturità. È il ticinese Roberto Trotta e l’abbiamo interpellato per sollevare con lui un velo sull’enigma dell’universo che ci circonda.

Quando diciamo materia e energia oscura, di cosa stiamo parlando?

«Di qualcosa che non si vede, perciò lo chiamiamo universo oscuro. È qualcosa che non emette luce, non assorbe luce, non lo vediamo con i telescopi tradizionali e non lo vediamo con i telescopi spaziali... non lo vediamo con nessuno strumento tradizionale».

E come facciamo a sapere che esiste?

«La materia oscura non si vede, ma ha un effetto importante e grazie ad esso, già ottanta-cento anni fa abbiamo capito che esiste: ha massa. Avendo massa, genera gravità e se genera gravità ha un effetto gravitazionale su tutti gli altri aspetti dell’universo, comprese le stelle, le galassie e tutto ciò che è visibile. Perciò si sospetta che la materia oscura esista perché, nonostante sia invisibile, produce gravità che altera il movimento delle galassie, delle stelle e ci permette di dedurre che c’è qualche cosa che produce una forza gravitazionale. Un qualcosa di invisibile e perciò lo chiamiamo materia oscura».

Da quando lo sappiamo?

«Dagli anni Trenta del secolo scorso, quando un astrofisico ormai famoso di origine svizzera, Fritz Zwicky, si accorge che le galassie non ruotano in maniera comprensibile, se si immagina che siano fatte solo delle stelle che vediamo».

Perché?

«Perché le stelle che vediamo non sono sufficienti a tenere assieme le galassie che ruotano troppo in fretta e dovrebbero disintegrarsi, ma non lo fanno. E quindi ci dev’essere qualcosa d’altro che non vediamo, dice Zwicky, che conia il termine tedesco di Dunkle Materie».

Ci sono tante teorie sulla materia oscura, ma poche osservazioni.

«Di osservazioni, a dire il vero, ne abbiamo ormai molte. Si sono accumulate negli ultimi dieci-quindici anni in maniera velocissima».

Come mai?

«Grazie alla rivoluzione tecnologica: l’invenzione dei chip che sono anche nelle fotocamere dei nostri cellulari che vent’anni fa hanno rimpiazzato la fotografia classica. La fotografia diventa digitale e questo ci ha permesso di prendere delle foto dell’universo a una velocità molto più alta di prima. In quindici anni il numero di dati che abbiamo dell’universo si è moltiplicato in maniera esponenziale. Tutto questo ci permette, oggi, di osservare centinaia di milioni di galassie dappertutto nell’universo. Ci permette di osservare l’eco luminosa del Big Bang, la radiazione cosmica, la distribuzione delle stelle nella nostra galassia e delle galassie vicine. Tutte queste informazioni che vanno dai primissimi istanti dopo il Big Bang fino alla nostra galassia sono in accordo con l’idea che c’è un 25% di materia oscura nell’universo, che non abbiamo ancora individuato».

E le teorie?

«Ce nel sono a dozzine. La più quotata è quella dell’esistenza di un nuovo tipo di particella che costituirebbe la materia oscura. La materia oscura sarebbe quindi la manifestazione di una fisica subatomica di cui sappiamo ben poco. Ma si potrebbe pensare a una particella molto massiccia, molto pesante, mille volte più pesante di un protone che costituisce l’atomo, che viene generata nel Big Bang stesso, quando c’è una temperatura e un’energia molto forte. Il Big Bang, in altre parole, genera queste particelle molto pesanti che non riusciamo più a generare fino ad oggi perché, come dice Einstein: l’energia è la massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato. E se la particella ha una forte massa ci vuole un sacco di energia per produrla. È forse per questo che non siamo riusciti a produrla al CERN, dove si cerca di riprodurre le condizioni iniziali del Big Bang. Ma queste particelle sarebbero ancora in giro da 13 miliardi di anni e potrebbero ancoraessere tra di noi. Questa è una teoria molto interessante perché unisce la cosmologia con la fisica delle particelle e ci permette di studiare la materia oscura da entrambe le prospettive».

A proposito del CERN, che cos’ha cambiato la scoperta del bosone di Higgs?

«Dal punto di vista della materia oscura non moltissimo. Perché è stata una scoperta, come dire, molto noiosa. Il bosone di Higgs, come l’abbiamo misurato fino ad ora, è il modello standard. È tutto quello che ci aspettavamo di trovare: non ci sono discrepanze, non ci sono deviazioni, né nuove particelle... Purtroppo è una scoperta che non ci dà nessuna traccia di cosa c’è oltre il bosone di Higgs stesso».

Fin qui abbiamo parlato di materia oscura, pari al 25% dell’universo. Poi c’è l’energia oscura, pari al 70%. Che cos’è?

«Quello che sappiamo della materia oscura è che conduce a rallentare l’espansione dell’universo. L’universo, iniziato 13,8 miliardi di anni fa col Big Bang, si espande ma questa espansione rallenta sotto l’effetto della gravità. Avendo più materia oscura abbiamo più gravità e questo rallenta l’espansione dell’universo. O quanto meno avremmo questo effetto se la materia oscura e la materia normale fossero le uniche componenti dell’universo. Qui entra in campo l’energia oscura, pari al 70% dell’universo, che però ha un effetto antigravitazionale: invece di rallentare l’espansione, la fa accelerare, da ormai tre-quattro miliardi di anni. E quindi le galassie si allontanano le une dalle altre a una velocità che aumenta di anno in anno, di millennio in millennio, di miliardo di anni in miliardo di anni. E questa è una cosa che non si può capire, perché la materia ordinaria che possiede massa può solo rallentare l’espansione. Ci vuole quindi qualcosa di fondamentalmente nuovo che l’acceleri. Questa cosa nuova, per convenzione la chiamiamo energia oscura».

Riassumiamo. L’universo è costituito al 25% da materia oscura, al 70 % d’energia oscura e solo al 5% da materia normale. Ma allora adesso che cosa stiamo cercando?

«Stiamo cercando innanzitutto una spiegazione alla natura fondamentale di questo 95% dell’universo di cui abbiamo parlato, perché ci manca un bel po’ di fisica per capire di che cosa si tratti. E la seconda domanda che ci poniamo è: se anche sapessimo esattamente di che cosa è composto questo 95% dell’universo, dobbiamo chiederci: perché? Perché siamo in un universo fatto in questo modo? Una domanda che va a toccare il perché della fisica e della struttura stessa dell’universo. Al punto che qualcuno ha ipotizzato l’esistenza di un multiverso per cercare una spiegazione probabilistica al perché il nostro universo appare così strano».

La fisica ha difficoltà a spiegare i perché.

«Vero. Se uno chiede perché siamo sulla Terra si risponde che la Terra sta attorno al Sole, c’è l’acqua che ci permette di vivere. Ma perché il Sole? Perché sta nella galassia. Ma perché la galassia? Perché sta nell’universo, eccetera. Abbiamo spinto indietro la serie dei perché fino a un attimo dopo il Big Bang, ma quel punto rimane l’ignoto. Perché il nostro universo ha la struttura che ha? La fisica per ora non può rispondere».

La fisica sfocia, quindi, sulla metafisica.

«È vero ma è vero anche l’opposto. Man mano che la fisica raggiunge i limiti del sapere e del conoscibile, la metafisica comincia ad assumere un ruolo più importante. Perché la fisica arriva a un punto in cui non è più una questione tecnologica, non si tratta più di vedere se si può costruire un acceleratore di particelle più grande, o se si può osservare l’universo ancora più lontano. Nell’arco delle nostre vite abbiamo la potenzialità di osservare tutto ciò che c’è nell’universo osservabile. Potremo creare una mappa completa dell’universo. Ma a quel punto i limiti non saranno più dati dal non aver visto lontano a sufficienza o dal numero insufficiente di galassie, ma, dopo aver visto tutto ciò che c’era da vedere, il limite sarà capire che cosa significa, come lo si può interpretare. Una domanda che esula dalla fisica e dalla scienza».

Prima diceva che il nostro è un universo strano e che per cercare di spiegarlo c’è chi ricorre all’idea del multiverso. Cioè?

«È l’idea, a cavallo tra scienza, fisica e filosofia, che il nostro universo così come lo conosciamo sia solo uno di una collezione immensa di possibili universi e che questi altri universi sarebbero tutti differenti tra di loro».

In che modo?

«Alcuni avrebbero più materia oscura, altri di meno; alcuni avrebbero più materia normale, alcuni una massa dell’elettrone differente. Altri un numero differente di dimensioni spaziali: invece di averne tre ce ne sarebbero cinque o sette, eccetera. Come se tutte le possibilità date dalla fisica potessero essere realizzate da qualche parte nel multiverso. Queste bolle di universi tutti differenti tra di loro non possiamo raggiungerle in nessuna maniera, sono disconnesse da noi. Non possiamo andare lì perché la fisica altrove è differente dalla nostra».

Che cosa risolve l’idea di multiverso?

«L’idea è questa: se noi prendiamo il nostro universo come appare, il rapporto del 70% di energia oscura rispetto a tutto il resto è molto improbabile...».

Quanto improbabile?

«La probabilità di avere un universo con l’energia oscura che abbiamo noi è la stessa probabilità di lanciare una monetina e ottenere testa per 400 volte di seguito. Una probabilità infinitesimale, pari quasi allo zero. In realtà è 0,000... ben 120 zero e poi 1. È un problema per la fisica: perché viviamo in un universo così improbabile?».

E quindi?

«Si immagina che la monetina sia stata lanciata in tutti i multiversi e prima o poi in uno di essi è successo che è uscita testa per 400 volte di seguito. Noi ci troveremmo a vivere nella parte del multiverso dove è successo esattamente questo».

Una statistica senza dati.

«Esiste un dato, uno solo: che noi esistiamo, ci siamo in questo universo. È l’unico punto fermo e possiamo “spiegarlo” attraverso questa idea probabilistica. Il nostro universo è improbabile, ma se ce ne fossero tantissimi prima o poi capiterebbe anche il nostro».

CHI È ROBERTO TROTTA

Partito da Locarno, dove ha conseguito la maturità nel 1996, Roberto Trotta ha studiato fisica teorica al Politecnico di Zurigo. Si è laureato nel 2001 con una tesi sulla radiazione cosmica di fondo. A Zurigo incontra quella che sarebbe diventata la direttrice della sua tesi di dottorato, Ruth Durrer, esperta nella teoria delle perturbazioni cosmologiche primordiali nei primi istanti dopo il Big Bang. Grazie a questo incontro Trotta si sposta a Ginevra dove studia cosmologia sotto la sua direzione. Qui comincia ad interessarsi all’aspetto statistico. «A quei tempi – spiega – la statistica era uno strumento ancora poco utilizzato in cosmologia perché le teorie abbondavano e i dati, cioè l’osservazione di fenomeni, no». Nel 2005 si trasferisce ad Oxford con una fellowship della Royal Astronomical Society, una borsa di ricerca molto competitiva (una sola per tutta l’Inghilterra). «Vincendola, osserva, ho potuto svolgere altre ricerche su questo tema. Dopo tre anni, sono stato assunto all’Imperial College di Londra come assistente professore. Dal 2008, ho progredito attraverso i vari gradini della carriera accademica, fino alla recente nomina a professore di astrostatistica». Nell’ambito della ricerca Roberto Trotta si è nel frattempo interessato alla materia e all’energia oscura che svolgono un ruolo fondamentale nello sviluppo dell’universo e assieme costituiscono il 95% dell’universo. E ha sviluppato ulteriormente l’analisi dei dati e computazionali che ora sono fondamentali nella ricerca.