Energia oscura: la forza dietro il 68% dell'universo

Circa il 68% di tutto ciò che esiste è qualcosa che nessuno strumento ha mai rilevato direttamente: l'energia oscura. I cosmologi attribuiscono attualmente alla materia oscura una quota del 27% e agli atomi ordinari — la materia di cui sono fatti stelle, pianeti e persone — appena il 5%. Pur superando in massa tutto il resto messo insieme, l'energia oscura è rimasta senza nome e inosservata fino agli ultimi anni del ventesimo secolo.

Le cose cambiarono nel 1998, quando due squadre rivali che studiavano stelle esplose scoprirono che l'espansione dell'universo sta accelerando anziché rallentare. Il risultato fu così inaspettato da spingere i fisici a riconsiderare un'idea che Albert Einstein aveva introdotto, e poi abbandonato, decenni prima.

Questo articolo ripercorre ciò che quelle osservazioni hanno effettivamente dimostrato, come la luce più antica dell'universo le confermi, e perché spiegare l'energia oscura sia ancora considerato uno dei problemi aperti più difficili della fisica.

La suddivisione 68/27/5 rappresenta la migliore stima attuale della cosmologia su tutto ciò che esiste, e viene continuamente affinata man mano che gli strumenti migliorano. I dati del satellite Planck dell'Agenzia Spaziale Europea hanno fissato la quota della materia oscura al 26,8%, quasi un quinto in più rispetto a quanto suggerito dalle stime precedenti — un segno che persino i numeri "consolidati" della cosmologia sono ancora bersagli in movimento.

Ciò che rende strana l'energia oscura è il modo in cui domina il bilancio cosmico pur esistendo a malapena. La sua densità è di circa 7×10⁻³⁰ grammi per centimetro cubo, equivalente a circa 6×10⁻¹⁰ joule per metro cubo di massa-energia — ben al di sotto di quanto raggiungono la materia ordinaria o la materia oscura quando sono concentrate all'interno di una galassia. Vince il conto non perché sia concentrata da qualche parte, ma semplicemente perché è ovunque contemporaneamente, così il suo effetto totale cresce man mano che cresce l'universo stesso.

Molto prima che qualcuno misurasse un'accelerazione, Einstein aveva già costruito lo strumento matematico che avrebbe finito per descriverla. Aggiunse un termine extra alle sue equazioni gravitazionali proprio per consentire un universo statico e immutabile, che era l'ipotesi standard della sua epoca. Quando osservazioni successive mostrarono invece che il cosmo si stava espandendo, Einstein scartò la propria correzione, definendola un errore.

Quel termine abbandonato rimase per lo più dimenticato finché il cosmologo Michael S. Turner non riportò in vita il concetto con una nuova etichetta. In un articolo scritto insieme a Saul Perlmutter e Martin White nel 1998, Turner coniò il termine "energia oscura" per indicare qualunque forza stesse guidando l'accelerazione appena scoperta — riabilitando di fatto la stessa idea che Einstein aveva scartato.

La svolta arrivò nel 1998, quando due gruppi rivali — il Supernova Cosmology Project da una parte, l'High-Z Supernova Search Team dall'altra — utilizzarono in modo indipendente supernovae di tipo Ia lontane per tracciare come il ritmo dell'espansione cosmica sia cambiato nel corso di miliardi di anni.

Queste particolari supernovae costituiscono metri campione cosmici affidabili grazie alla costanza con cui esplodono. Si verificano quando la massa di una nana bianca di carbonio-ossigeno si avvicina a circa 1,44 masse solari, la soglia oltre la quale la stella non riesce più a sostenersi. Poiché questo limite è quasi identico da stella a stella, le esplosioni risultanti raggiungono una luminosità massima comparabile, ed è proprio questo che ha permesso a entrambi i team di usarle per misurare le distanze. Quando queste distanze sono state confrontate con quanto la luce si fosse spostata verso il rosso, i numeri avevano senso solo se l'espansione stessa stava accelerando.

La storia dell'energia oscura passa anche attraverso la luce più antica che gli astronomi possano osservare. La radiazione cosmica di fondo fu scoperta del tutto per caso nel 1965, quando due ricercatori dei Bell Labs, Arno Penzias e Robert Wilson, stavano cercando la fonte di un'interferenza radio e si imbatterono invece in un debole bagliore che copriva l'intero cielo.

Quel bagliore è un'istantanea del cosmo risalente a circa 375.000 anni dopo il suo inizio, quando ogni cosa era ancora una zuppa calda e densa di particelle. Da allora, mentre lo spazio si è dilatato, anche la luce si è dilatata con esso, raffreddandosi fino a lunghezze d'onda nella banda delle microonde, equivalenti oggi a soli 2,7 gradi sopra lo zero assoluto. Nel 1992, il satellite Cosmic Background Explorer della NASA scoprì che questo bagliore non è perfettamente uniforme — presenta minuscole variazioni di temperatura in tutto il cielo, e proprio mappare quelle variazioni con una precisione sempre maggiore è il modo in cui i cosmologi sono arrivati all'attuale ricetta 68/27/5.

Sapere che l'energia oscura esiste è una cosa; spiegare cosa sia effettivamente è molto più difficile. Un'idea di spicco la considera l'energia intrinseca dello spazio vuoto, il vuoto descritto dalla teoria quantistica dei campi. Il problema è che quando i fisici cercano di calcolare quanta energia dovrebbe contenere quel vuoto, il risultato supera di circa 120 ordini di grandezza ciò che si osserva realmente — uno scarto talmente enorme che alcuni ricercatori lo considerano il calcolo meno accurato mai registrato in fisica. Nessuna correzione della matematica ha colmato questo divario, il che spiega in gran parte perché l'energia oscura sia ancora considerata una questione irrisolta.

Se l'energia oscura non fosse reale, qualcos'altro dovrebbe spiegare l'accelerazione — e l'alternativa principale è che la stessa teoria della gravità di Einstein smetta di funzionare una volta che le distanze diventano sufficientemente grandi, permettendo allo spazio di dilatarsi più velocemente di quanto la gravità riesca a contenerlo. Escludere questa possibilità ha richiesto decenni, ed è diventato possibile solo quando gli astronomi sono riusciti a misurare direttamente le onde gravitazionali.

GW170817, la prima onda gravitazionale individuata anche tramite osservazioni non gravitazionali, ha permesso ai fisici di misurare la velocità della gravità con una precisione tale da escludere molte delle teorie di gravità modificata proposte come alternative all'energia oscura.

La storia non è finita. La collaborazione Dark Energy Spectroscopic Instrument, in un rapporto pubblicato nel marzo 2025, ha scoperto che l'intensità dell'energia oscura potrebbe non essere costante dopo tutto. Combinando i dati sulle oscillazioni acustiche barioniche dello strumento con le misurazioni della radiazione cosmica di fondo, i rilevamenti di weak lensing e i cataloghi di supernovae, il team ha trovato prove di un'energia oscura che evolve nel tempo, con una confidenza statistica compresa tra 2,8 e 4,2 sigma, a seconda dei set di dati combinati.

Il risultato è intrigante ma non ancora definitivo, il che mantiene la vera natura dell'energia oscura una questione aperta a decenni dal momento in cui Turner le diede per la prima volta un nome.

• NASA: Panoramica WMAP
• ESA: Planck rivela un universo quasi perfetto
• Phys.org: La ricerca per risolvere l'enigma sulla teoria di Einstein
• Scientific American: La fine della cosmologia?
• Wikipedia: Energia oscura
• Wikipedia: Espansione accelerata dell'universo
• Wikipedia: Costante cosmologica
• Wikipedia: Supernova di tipo Ia