Il termine "Cosmos" si manifesta in diversi ambiti, dalla ricerca scientifica d'avanguardia all'educazione, fino a soluzioni pratiche per il lavoro. Questa esplorazione ci guiderà attraverso le diverse declinazioni di "Cosmos", mettendo in luce l'importanza della collaborazione multidisciplinare nella comprensione dell'universo e le sfide attuali della cosmologia, affiancate da strumenti didattici e soluzioni ingegneristiche.
Il Progetto COSMOS: Un Network Multidisciplinare per la Cosmologia Profonda
COSMOS è un progetto che mira a creare un network di esperti degli ambiti delle scienze dello spazio, astrofisica, astronomia e cosmologia che possa interagire in maniera sistematica con filosofi e storici sulle tematiche di studio dell’universo, i suoi fenomeni e leggi per elaborare categorie adeguate alla comprensione della cosmologia in senso ampio, come pratica eminentemente umana. La nostra capacità di fare cosmologia si basa infatti su fondamenti di matematica e fisica, innovazione tecnologica, nonchè una base antropologica e perciò solamente una collaborazione multidisciplinare può arrivare a cogliere tutte le implicazioni della cosmologia teorica e osservativa e del suo impatto. COSMOS è una grande network di storia e filosofia della cosmologia che opera in Italia e all’estero.
La Storia dell'Universo e il Modello ΛCDM: Un Racconto in Costante Revisione
La nostra migliore rappresentazione delle origini e dell’evoluzione dell’universo è stata messa insieme nell’arco di un secolo. Tutto è cominciato nel 1915 con la teoria della relatività generale di Albert Einstein, che descrive la gravità come l’effetto della curvatura dello spaziotempo provocata da corpi ad alta massa. All’epoca si pensava che l’universo fosse statico, perciò Einstein aggiunse alle sue equazioni un termine stabilizzante, la “costante cosmologica”. Ma nel 1929 l’astronomo Edwin Hubble osservò che le galassie lontane si stavano allontanando rapidamente l’una dall’altra, segno che l’universo si stava espandendo. Questa scoperta spinse Einstein ad abbandonare la sua costante. Poi arrivò la teoria del big bang. Anche se oggi la teoria è considerata quasi un dogma, l’ipotesi alternativa dello stato stazionario fu definitivamente superata solo negli anni sessanta, quando gli astronomi scoprirono un’impronta termica residua del big bang, la radiazione cosmica di fondo (Cmb), le cui caratteristiche coincidevano con le previsioni.
Con il progressivo miglioramento della nostra capacità di osservare lo spazio, la teoria del big bang ha cominciato a non bastare più. Negli anni ottanta gli astronomi scoprirono che la gravità della materia visibile non era sufficiente a tenere insieme le galassie né a spiegare la formazione degli ammassi di galassie. La soluzione fu ipotizzare l’esistenza di una materia oscura invisibile. Un decennio più tardi, l’osservazione di supernove lontane fatta da Riess e i suoi colleghi rivelò, contro ogni aspettativa, che l’espansione dell’universo stava accelerando. La costante cosmologica fu reintegrata, anche se con un nuovo nome: energia oscura. E questo, in sostanza, è l’attuale modello standard della cosmologia, noto come Λcdm.
La lettera greca lambda indica la costante cosmologica, mentre cdm sta per cold dark matter, la materia oscura fredda, che si pensa sia composta da particelle pesanti e lente. Integrato con la relatività generale e con alcune ipotesi fondamentali (soprattutto quella secondo cui su larga scala l’universo appare uguale in ogni direzione) questo modello fornisce un quadro convincente di come le strutture cosmiche si sono formate a partire dalle fluttuazioni quantistiche dell’universo primordiale, in seguito a una breve ma rapidissima espansione esponenziale nei primi istanti dell’universo. Il modello Λcdm è considerato uno dei più grandi trionfi della scienza. Unisce eleganza e una straordinaria capacità descrittiva: con soli sei parametri riesce a raccontare l’intera storia del cosmo, formulando una serie di previsioni precise che sono state confermate da osservazioni sempre più accurate. “È stato straordinariamente efficace”, dice Mike Turner, cosmologo teorico dell’università di Chicago. “Se penso a quello che avevamo quando ho cominciato, intorno al 1980, è più di quanto avremmo potuto immaginare”.
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Le Sfide e le Crepe nel Modello Standard: Dalla Materia Oscura alla Tensione di Hubble
Eppure, osserva Turner, oggi “è molto meno di quello che possiamo accettare”. In parte semplicemente perché la scienza non sta mai ferma: anche le teorie più riuscite sono approssimazioni di una comprensione più profonda, e quando sono sottoposte a osservazioni più rigorose emergono punti irrisolti e crepe. Nel caso del modello Λcdm, i punti irrisolti sono evidenti. La materia oscura e l’energia oscura sono sempre state dei segnaposto: erano usate per giustificare i fenomeni osservati, ma senza una spiegazione fisica. Nonostante decenni di ricerche, i fisici non hanno ancora rilevato direttamente le particelle di materia oscura. E anche se l’energia oscura è spiegata come energia del vuoto, risultante dalle fluttuazioni quantistiche dello spazio, resta problematica a livello teorico. La teoria quantistica prevede infatti che abbia un valore di circa 10 alla 120 volte più grande di quello necessario per spiegare l’espansione dell’universo osservata. “L’energia oscura e la materia oscura sono solo toppe”, sostiene Turner. Entrambe svolgono un ruolo preciso nel modello e ci sono solide prove empiriche della loro esistenza. “Ma sono semplici descrizioni fenomenologiche, e dietro deve esserci qualcosa di più fondamentale”.
Nel modello hanno cominciato ad apparire delle crepe. La più nota è la cosiddetta tensione di Hubble. Si chiama così perché due diversi metodi per misurare la velocità di espansione dell’universo, chiamata costante di Hubble, forniscono valori incompatibili. Quando i cosmologi proiettano in avanti i dati della radiazione cosmica di fondo (Cmb) usando il modello attuale, ottengono circa 67 chilometri al secondo per megaparsec. Quando invece gli astronomi misurano direttamente l’universo locale, usando supernove e stelle variabili, il valore è intorno a 73. Secondo Riess il fatto che i dati non coincidono è un forte indizio che nel modello Λcdm qualcosa non funziona. Eppure la maggior parte dei cosmologi non è ancora pronta ad abbandonarlo. Tutte le proposte avanzate per risolvere la tensione di Hubble mettono in crisi la coerenza quasi perfetta del modello attuale con la Cmb e la struttura su larga scala dell’universo osservabile. È anche possibile che le misure alla base della tensione contengano sottili errori. In particolare, il modo in cui misuriamo l’espansione dell’universo recente si basa su una complessa catena di inferenze, in cui ogni passaggio dipende da meticolose calibrature e ipotesi su stelle e galassie. Il sospetto è che con più dati la tensione sparirà. “Ci sono troppe variabili per affermare qualcosa di definitivo”, osserva Pedro Ferreira, cosmologo e astrofisico dell’università di Oxford. Riess non è convinto. Le sue misurazioni dell’espansione dell’universo recente sono state verificate più e più volte, sottolinea, e nessuno ha trovato errori. “Sono passati dieci anni da quando abbiamo scoperto la tensione di Hubble e non è scomparsa”, dice. “Anzi, è diventata ancora più evidente”. Secondo lui il vero motivo per cui la comunità scientifica non è disposta ad abbandonare il modello Λcdm è che gli scienziati fanno fatica a rinunciare a una teoria così riuscita finché non ne hanno un’altra migliore: “A nessuno piace vagare nel deserto”.
L'EFFETTO DI HUBBLE:LA RELAZIONE TRA DISTANZA E VELOCITÀ DELLE GALASSIE 🚀 UNA GIORNATA NELLO SPAZIO
Le Rivoluzionarie Osservazioni di DESI e il Futuro dell'Energia Oscura
In quest’ottica servirebbero osservazioni in grado di indicare più chiaramente quale potrebbe essere la strada giusta. Fortunatamente una nuova generazione di strumenti ha cominciato a dare risultati eccezionali. Uno di questi è il Dark energy spectroscopic instrument (Desi). Installato su un telescopio in Arizona, Desi è dotato di un enorme specchio e di cinquemila fibre ottiche controllate roboticamente che si allineano in automatico alle galassie più lontane, una dopo l’altra, molto più velocemente rispetto alle precedenti osservazioni sull’energia oscura. Dal 2021 Desi osserva milioni di galassie per misurarne il redshift (spostamento verso il rosso), cioè quanto la lunghezza d’onda della luce che emettono è aumentata a causa dell’espansione cosmica, un indicatore della loro distanza dalla Terra. E poiché le galassie hanno redshift diversi, possiamo confrontare le distanze ricorrenti nella loro distribuzione per ricostruire come il tasso di espansione dell’universo è cambiato nel tempo. Per calibrare queste distanze, Desi sta misurando anche delle sottili impronte lasciate dall’universo primordiale, note come oscillazioni acustiche barioniche (Bao). Come increspature su uno stagno rimaste congelate nel ghiaccio, le Bao evidenziano uno schema caratteristico nella separazione tra galassie che fornisce ai cosmologi un “righello standard” per misurare l’espansione cosmica. L’idea è arrivare alla ricostruzione tridimensionale dell’espansione dell’universo più accurata e precisa mai realizzata.
L’ultima versione, resa nota nel marzo 2025 e basata su tre anni di dati (pari a 15 milioni di galassie) conteneva una bomba che ha fatto tremare dalle fondamenta la cosmologia. I ricercatori hanno confrontato i risultati delle osservazioni di Desi con gli ultimi dati sulle supernove, che limitano fortemente l’espansione dell’universo vicino, e con quelli della radiazione cosmica di fondo. Dopo averne verificato la compatibilità con il Λcdm, hanno scoperto che il modello attuale non regge del tutto, poiché non contempla la possibilità che la forza dell’energia oscura cambi nel tempo. La conclusione è stata netta: l’energia oscura si sta indebolendo, e non sembra essere una costante cosmologica. “È stato davvero sconvolgente”, dice Will Percival, astrofisico dell’università di Waterloo, in Canada, che collabora con Desi. Naturalmente il risultato è stato sottoposto a verifiche molto rigorose. “Ma per molti versi è proprio quello che tutti stavamo aspettando”. Come se non bastasse, i risultati di Desi indicano anche che nell’universo primordiale l’energia oscura potrebbe essere scesa al di sotto del cosiddetto phantom divide - la soglia oltre la quale la sua forza repulsiva sarebbe stata molto più intensa di quanto permette la costante cosmologica - per poi risalire successivamente. “I risultati di Desi sono meravigliosamente bizzarri”, dice Eric Linder, fisico e cosmologo dell’università di Berkeley, in California. “Si discostano dalla costante cosmologica in un modo che nessuno aveva mai preso in considerazione”. Allo stato attuale i risultati non sono abbastanza solidi perché si possa parlare di una scoperta vera e propria. L’analisi suggerisce l’ipotesi di un’energia oscura in evoluzione con una significatività statistica massima di 4,2 sigma, ancora lontana dalla soglia dei 5 sigma considerata lo standard di riferimento, quindi potrebbe essere smentita da nuovi dati. L’indicazione del superamento del phantom divide è ancora meno sicura. “Sono indeciso”, osserva Ferreira. “Ci siamo già passati fin troppe volte”. Eppure ci sono motivi per pensare che i risultati di Desi siano diversi. Secondo Catherine Heymans, astronoma dell’università di Edimburgo, “il metodo che hanno seguito per misurare l’espansione cosmica è uno dei più puliti. È molto più difficile trovare argomenti contro questo risultato rispetto alla tensione di Hubble”. Qualcuno ci ha provato comunque. Nel maggio 2025 George Efstathiou, astrofisico dell’università di Cambridge, ha pubblicato un articolo in cui sostiene che le prove a favore di un’energia oscura in evoluzione sono fragili, per due motivi. Il primo è che la discrepanza rispetto al modello Λcdm emerge solo quando si includono i dati delle supernove. Il secondo è che l’analisi statistica si basa su ipotesi preliminari riguardo alla plausibilità dei diversi scenari cosmologici, che secondo Efstathiou favoriscono ingiustamente i modelli con energia oscura variabile. Ma tutti sono d’accordo che, se i risultati di Desi fossero confermati da nuovi dati, sarebbe un duro colpo per il modello Λcdm. “Dovremmo rimettere tutto in discussione”, osserva Ferreira. “Siamo in un momento interessante”, dice Adam Riess, un astrofisico della Johns Hopkins university che ha condiviso il premio Nobel per la fisica nel 2011 per aver contribuito alla scoperta dell’energia oscura. “Vi consiglio di non andare in bagno adesso”.
Verso una Nuova Cosmologia: Modelli Alternativi all'Orizzonte
In un articolo pubblicato nell’agosto 2025, Riess e la cosmologa osservativa Alexie Leauthaud dell’università di Santa Cruz, in California, scrivono che stiamo assistendo al tramonto del modello Λcdm e che dobbiamo prepararci ad andare oltre. Per la prima volta in 25 anni abbiamo un indizio concreto su che aspetto potrebbe avere un modello migliore. Questo non significa che sarà semplice venirne a capo. Sebbene i risultati di Desi ci offrano un’indicazione chiara sulle proprietà fisiche dell’energia oscura, il quadro dell’espansione cosmica che ne risulta rende molto difficile trovare la formula esatta. La soluzione più semplice è dire che l’energia oscura non proviene dal vuoto ma è una specie di campo, simile a quelli che descrivono la luce o le forze nucleari. Ma questi modelli devono essere calibrati con una precisione sospetta per fare in modo che l’energia oscura aumenti proprio negli ultimi miliardi di anni, invece che in un’altra epoca cosmica. E soprattutto, da soli non riescono a riprodurre il phantom crossing.
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Molti teorici preferiscono concentrarsi su modelli in cui l’energia oscura interagisce con la gravità invece di evolvere in modo indipendente. L’idea è che, a un certo punto, la gravità comincia a comportarsi diversamente perché c’è un trasferimento di energia tra la materia ordinaria e l’energia oscura. “In questo modo si capisce che la densità dell’energia oscura può aumentare e poi diminuire”, spiega Alessandra Silvestri, teorica dell’università di Leida, nei Paesi Bassi, che ha mostrato come un modello di questo tipo si adatti ai dati di Desi meglio del Λcdm. “È davvero l’unico modello che sembra funzionare”. Ci sono anche modelli che prevedono uno scambio energetico tra materia oscura ed energia oscura, con una lenta conversione della prima nella seconda durante l’espansione cosmica. Questa idea è particolarmente attraente dal punto di vista teorico, perché collega le due più grandi incognite della cosmologia. Il problema di tutti questi modelli interagenti è che, se fossero corretti, dovremmo averne già vista qualche traccia nelle osservazioni - per esempio, nelle orbite planetarie - e così non è. Inoltre, anche ammettendo che le interazioni siano così piccole da sfuggire alle osservazioni, potrebbero violare la legge di conservazione dell’energia e della quantità di moto. Insomma, c’è un’abbondanza di idee, ma nessuna risolve davvero il problema. Per Ferreira - e anche per Riess - non bisogna limitarsi a mettere delle toppe al concetto di energia oscura per adattarlo meglio ai dati. Piuttosto, bisogna chiedersi quali insegnamenti trarre se i risultati di Desi fossero davvero il colpo di grazia per il modello Λcdm.
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