La densità critica dell'universo

La densità critica dell'universo è un concetto centrale nella cosmologia moderna e rappresenta la densità media che l'universo dovrebbe avere per essere geometricamente piatto, ovvero né in espansione né in contrazione. Questa densità serve ai cosmologi come riferimento per determinare l'evoluzione futura del cosmo.

La cosmologia si basa sul principio cosmologico, secondo il quale l'universo è omogeneo e isotropo su grandi scale. Questo significa che, in media, la distribuzione della materia nell'universo è uniforme, appare uguale in ogni direzione e da ogni punto. Tuttavia, la materia visibile tende a concentrarsi in strutture isolate, come le stelle e le galassie. Lo stesso accade per la materia non barionica (materia oscura) che tende ad aggregarsi a causa dell'interazione gravitazionale tra le particelle. Quindi, in alcuni zone dell'universo la densità è maggiore che in altre.

Invece di concentrarsi sulla misurazione della massa totale dell'universo, i cosmologi preferiscono considerare la sua densità.

• La densità media (d_m) è la grandezza che misura la quantità di particelle per una unità di volume (metro cubo o m³). È la densità effettiva dell'universo in base alle rilevazioni compiute dagli scienziati.
• La densità critica (d_c) è la densità minima necessaria affinché l'universo sia chiuso e smetta di espandersi. Il valore della densità critica è di circa 10⁻³⁰ g/cm³. Se la densità dell'universo supera questo valore, l'attrazione gravitazionale predominerebbe e l'universo finirebbe per collassare su se stesso, un fenomeno noto come "Big Crunch". Viceversa, se la densità è inferiore alla densità critica, l'universo continuerà a espandersi indefinitamente.

Il rapporto tra la densità dell'universo (d_u) e la densità critica (d_c) è indicato nel parametro Ω.

$$ \Omega = \frac{d_u}{d_c} $$

In base al suo valore, l'evoluzione dell'universo avviene in modo diverso

• Ω > 1
  In questo caso l'universo ha una densità maggiore della densità critica (d_u>d_c). È uno scenario compatibile con l'universo chiuso che ipotizza lo spazio come una geometria sferica. Secondo questo scenario, una volta raggiunta la massima espansione possibile l'universo è destinato a contrarsi in un "Big Crunch".
• Ω = 1
  In questo caso la densità dell'universo coincide con la densità critica. Questo scenario ipotizza lo spazio come una geometria euclidea, uno spazio piano. È una ipotesi compatibile con l'universo aperto. Secondo questo scenario l'universo è destinato ad espandersi all'infinito, raffreddandosi progressivamente fino a culminare in una "morte termica".
• Ω < 1
  In questo caso l'universo ha una densità inferiore alla densità critica. Questo scenario ipotizza lo spazio come una geometria iperbolica. È un'altra ipotesi compatibile con l'universo aperto. Secondo questo scenario l'universo è destinato ad espandersi all'infinito ma molto più velocemente rispetto al caso precedente. Anche in questo caso l'universo è destinato alla "morte termica" per raffreddamento.

Studi teorici hanno determinato che il valore della densità critica è di circa 10⁻³⁰ g/cm³. Tuttavia, le osservazioni della materia visibile forniscono una densità molto più bassa, di soli 10⁻³² g/cm³. Ulteriori ricerche sulla materia oscura indicano una densità di 10⁻³¹ g/cm³, dieci volte più bassa rispetto alla densità critica. Quindi, sommando le densità della materia visibile (1%) e della materia oscura (10%), si ottiene che solo l'11% della densità critica è attualmente presente nell'universo. Quindi, il parametro Ω<1 sembrerebbe essere molto inferiore a 1 e l'espansione accelerata del cosmo dovrebbe continuare all'infinito. Tuttavia, la questione della natura e della distribuzione della restante materia e energia nell'universo è ancora aperta ed è oggetto di discussione nella cosmologia contemporanea.

In conclusione, la densità critica dell'universo è un parametro fondamentale nella comprensione dell'evoluzione e del destino dell'universo. La sua esplorazione ci permetterà di capire la vera natura dell'universo e le leggi fisiche che lo governano.