L’Universo oggi conosciuto si presenta con una forte strutturazione alle scale più diverse. Su scale cosmologiche, cioè tali da interessare la struttura e l’evoluzione globale dell’Universo, l’elemento fondamentale è rappresentato dalle galassie, raggruppamenti di stelle, gas, polveri e materia oscura che si presentano in una limitata varietà di morfologie – ellittiche, spirali, irregolari – e dimensioni. Con un contenuto medio dell’ordine di 100 miliardi di stelle e una massa totale fino a mille miliardi di volte quella del sole, le galassie rappresentano i mattoni fondamentali con cui è costruita la struttura a grande scala dell’Universo. La densità di galassie risulta estremamente elevata in prossimità di rari addensamenti, gli ammassi di galassie, connessi da filamenti e “fogli” intessuti dalle galassie stesse. Questa topologia ricorda quella di una spugna, con una grande frazione di spazio sostanzialmente priva di galassie.

Come l’Universo sia evoluto dalla condizione di quasi perfetta omogeneità, testimoniata dalle osservazioni della radiazione fossile di fondo nelle micro-onde (CMB), a questo elevatissimo grado di strutturazione, e i processi fisici che l’hanno prodotta, hanno costituito il tema fondamentale della cosmologia osservativa e teorica a partire dagli anni ’60. Nonostante i rilevanti progressi, particolarmente negli ultimi trent’anni, vari aspetti rimangono privi di una chiara comprensione fisica e soprattutto nuove e più profonde domande sono sorte a partire dalle osservazioni più recenti. Queste domande spingono l’immaginazione e gli sforzi degli astrofisici verso ulteriori traguardi e sono il motore della moderna ricerca astrofisica. Ci troviamo, infatti, nella fortunata situazione di avere per la prima volta un “modello cosmologico standard” in grado di spiegare virtualmente tutte le osservazioni. Tra queste non solo la distribuzione a grande scala delle galassie, che oggi abbiamo ricostruito fino a scale di centinaia di milioni di anni luce, ma anche le osservazioni sempre più precise del fondo cosmico a microonde e della luminosità delle Supernove ad alto redshift.

In questo modello, che funziona sorprendentemente bene, però, la densità di massa/energia dell’Universo risulta dominata da due componenti “oscure”, ovvero da “sostanze” che non emettono luce o radiazione elettromagnetica di qualche forma: nel budget totale, a fronte di una percentuale di circa il 5% di materia “normale” (quella che conosciamo, cosiddetta “barionica”), esiste infatti circa un 20% di “materia oscura”, che non vediamo ma riveliamo grazie ai suoi effetti gravitazionali sulle galassie e le strutture. Il restante 75% è fornito da un’ulteriore forma di “energia oscura”, necessaria per spiegare l’andamento dell’espansione dell’Universo negli ultimi 7-8 miliardi di anni. Come dimostrato solamente nel 1998 utilizzando misure di luminosità di stelle Supernove di tipo Ia in galassie ad alto redshift, l’Universo appare infatti oggi in una fase di espansione accelerata, sospinto proprio dalla forza repulsiva dell’energia oscura. In questo scenario, la struttura cosmica su grande scala che oggi osserviamo si è formata per l’effetto combinato dell’espansione globale e dell’amplificazione gravitazionale di piccole perturbazioni nella densità di materia/energia primordiale. L’origine di queste perturbazioni viene fatta risalire a fenomeni quantistici nelle prime frazioni di secondo di vita dell’Universo.

La ricerca astrofisica italiana ha conquistato durante gli ultimi 15 anni un ruolo di punta in questo settore, sia nell'ambito dei progetti da terra che nei progetti spaziali, raggiungendo risultati fondamentali e guidando nuovi grandi esperimenti che daranno i loro frutti negli anni a venire.