Osservare l'invisibile
di Pierdomenico Memeo
- Materie coinvolte: Fisica
“Lo spazio dice alla materia come muoversi;
la materia dice allo spazio come curvarsi.”
John Archibald Wheeler
Osservare l'invisibile
In realtà, non è vero. L’astronomia è la scienza di quello che si vede, ma molto spesso anche di quello che non si vede. Da circa 90 anni sappiamo che l’Universo contiene molto più della componente luminosa che possiamo osservare direttamente: una componente oscura, che non emette, non assorbe, e non riflette la radiazione elettromagnetica, motivo per cui appare completamente invisibile ai nostro strumenti di osservazione. Quale sia la composizione di questa materia oscura è ancora oggetto di speculazione, ma sappiamo che la sua quantità supera di diverse volte quella della componente luminosa: le stime più recenti indicano che questa materia “invisibile” costituisca circa l’85% di tutta la massa presente nell’Universo.
Ma non è finita qui. Secondo le teorie più accreditate nella comunità scientifica, basate sull’idea della continua espansionedell’Universo, lo spazio stesso risulta intriso di una forma esotica di energia, tanto ubiqua quanto invisibile, che ne guida le fasi di accelerazione. Questa energia oscura risulta essere la componente principale dell’Universo, che quindi - secondo le ipotesi migliori - si delinea costituito al 95% dalla componente oscura (in particolare 69% energia oscura, 26% materia oscura), e solo al 5% dalla componente luminosa, composta da materia ordinaria e condensata in stelle, pianeti, nebulose, pizze, gatti, persone, e qualsiasi altra cosa a noi nota.
L’astronomia si trova quindi in una situazione paradossale: la vasta maggioranza della materia-energia presente nell’Universo è completamente invisibile agli strumenti di osservazione che abbiamo a disposizione. Come possiamo quindi studiare qualcosa, quando possiamo vedere solo una minima parte di ciò che vogliamo comprendere? Possiamo, ma dobbiamo usare un trucco.ù
Prove e indizi
La materia oscura e l’energia oscura non possono essere rivelate direttamente dagli strumenti di osservazione perché non interagiscono con la radiazione elettromagnetica: non emettono, non assorbono, e non riflettono nessuna delle bande di frequenza delle onde elettromagnetiche. L’unica interazione permessa alla componente oscura dell’Universo è quella gravitazionale, ed è quella che possiamo usare per rivelare la sua presenza.
Come ha riassunto brillantemente il fisico statunitense John Archibald Wheeler riguardo i principi della Relatività Generale, quella che noi chiamiamo “forza di gravità” è in effetti un effetto di influenza reciproca tra massa e spazio-tempo: la presenza della massa esercita un effetto che influenza la forma dello spazio-tempo; ma allo stesso tempo la forma dello spazio-tempo esercita un effetto che influenza il movimento della massa.
Il trucco è che tutta la massa influenza la forma dello spazio-tempo, compresa la materia oscura: questo significa che quando osserviamo la componente luminosa, questa si comporta secondo la forma dello spazio-tempo data dalla materia totale. La componente luminosa si comporta quindi come un tracciante della distribuzione di massa totale, dalla quale possiamo poi ricavare la componente oscura.
Non solo: anche la luce stessa si muove secondo la forma dello spazio-tempo determinata dalla distribuzione di massa: questo effetto si può osservare nel fenomeno delle lenti gravitazionali, che deformano le immagini degli oggetti lontani come se la luce passasse attraverso una “lente d’ingrandimento” generata dalla presenza della massa.
Nonostante non sia possibile osservarla direttamente, abbiamo qui diversi modi per rivelare la presenza della componente oscura dell’Universo.
Gli strumenti del mestiere
- ampi campi di osservazione, per inquadrare anche le strutture più grandi;
- alta sensibilità dei rivelatori, per cogliere anche le sorgenti più lontane;
- elevata risoluzione spettrale, per stimare con accuratezza le distanze degli oggetti.
A questo scopo è stato realizzato uno dei più sofisticati strumenti astronomici, il telescopio spaziale Euclid dell’ESA. Frutto di un progetto all’interno del programma Cosmic Vision 2015-2025 dell’ESA, Euclid è un telescopio spaziale in grado di eseguire osservazioni nelle bande della luce visibile e della radiazione infrarossa. Lanciato il 1 luglio 2023, il telescopio ha viaggiato per circa un mese per posizionarsi con un’orbita ad alone nelle vicinanze del punto lagrangiano L2 del sistema Terra-Sole, ad una distanza di circa 1,5 milioni di chilometri dal nostro pianeta, in modo da essere protetto dalla radiazione solare e dalle emissioni elettromagnetiche della Terra, lo stesso vicino cui si trova anche il telescopio spaziale James Webb della NASA.
La previsione di vita operativa per Euclid è di 6 anni, durante i quali continuerà a fornire immagini e dati relativi a strutture ampie e distanti come gli ammassi di galassie, che potranno essere utilizzati per studiare la componente luminosa, ma anche come traccianti per calcolare la distribuzione della componente oscura, approfondendo in questo modo la nostra conoscenza dell’Universo su larga scala, e la sua evoluzione del tempo.
Proposta di attività per la classe:
Il marinaio esperto non può vedere il vento, ma sa leggere le nuvole.
Non tutto ciò che vorremmo conoscere si può osservare direttamente. A partire da questa espressione, si può invitare la classe ad una riflessione collettiva sull’idea che ci sono realtà che non possiamo percepire direttamente con i sensi, ma che sono per noi importanti: realtà scientifiche, come l’aria che respiriamo, il vento per navigare, la traiettoria di un corpo, un equilibrio chimico; costrutti sociali, come la libertà, la tolleranza, il potere; fino ad arrivare a concetti astratti come l’amicizia, l’amore, il rispetto.
Qual è il nostro rapporto con queste realtà che non possiamo percepire con i nostri sensi? Quali potrebbero essere i traccianti di queste realtà, quantità visibili che possiamo utilizzare per riconoscere l’esistenza (o la non esistenza) di queste realtà?
Dalla riflessione collettiva possono nascere progetti di Educazione Civica, collegamenti con i corsi di Letteratura, Filosofia, Economia, Matematica.
Sitografia
The dark Universe [inglese
ESA
Euclid: Exploring the dark Universe [inglese]
The Euclid Consortium
A space mission to map the dark Universe
ESA
Loopy star trails show the effect of Euclid’s Fine Guidance Sensor intermittently losing its guide stars [inglese]
ESA
Stray light detected in Euclid’s VIS instrument at particular angles [inglese]
ESA
Euclid’s wide-eyed look at the cosmos [inglese]
ESA
Euclid’s first images: the dazzling edge of darkness [inglese]
Bibliografia
Viaggio tra i più grandi misteri del cosmo
Andrea Cimatti
Carocci Editore (2020)
ISBN: 9788829003693
Il buio oltre le stelle
L’esplorazione dei lati oscuri dell’Universo
Amedeo Balbi
Codice (2019)
ISBN: 9788875787776
Euclid definition study report
Mapping the geometry of the dark Universe
Euclid Red Book Editorial Team
ESA/SRE(2011)12
DOI: 10.48550/arXiv.1110.3193
