Le migliori osservazioni finora effettuate non riescono a fornire una risposta univoca alla velocità con cui l’universo si sta espandendo. Forse perché la nostra galassia è al centro di un enorme vuoto.
Uno dei più grandi misteri della cosmologia è la velocità con cui l’universo si sta espandendo. Ciò può essere previsto utilizzando il modello standard della cosmologia, noto anche come materia oscura lambda-fredda (ΛCDM). Questo modello si basa su osservazioni dettagliate della luce rimasta dal Big Bang, il cosiddetto fondo cosmico a microonde (CMB).
L’espansione dell’universo fa sì che le galassie si allontanino le une dalle altre. Più sono lontani da noi, più velocemente si muovono. La relazione tra la velocità e la distanza di una galassia è governata dalla “costante di Hubble”, che è di circa 43 miglia (70 km) al secondo per Megaparsec (un’unità di lunghezza in astronomia). Ciò significa che una galassia guadagna circa 50.000 miglia orarie per ogni milione di anni luce che si allontana da noi.
Ma sfortunatamente per il modello standard, questo valore è stato recentemente messo in discussione, portando a quella che gli scienziati chiamano la “ tensione di Hubble ”. Quando misuriamo il tasso di espansione utilizzando galassie e supernove vicine (stelle che esplodono), è più grande del 10% rispetto a quando lo prevediamo in base alla CMB.
In un nuovo studio gli scienziati presentano una possibile spiegazione ovvero che viviamo in un enorme vuoto nello spazio (un’area con una densità inferiore alla media). Il team mostra che ciò potrebbe gonfiare le misurazioni locali attraverso deflussi di materia dal vuoto. I deflussi si verificherebbero quando regioni più dense che circondano un vuoto lo separano: eserciterebbero un’attrazione gravitazionale maggiore rispetto alla materia a densità inferiore all’interno del vuoto.
In questo scenario, dovremmo trovarci vicino al centro di un vuoto di circa un miliardo di anni luce di raggio e con una densità di circa il 20% inferiore alla media dell’universo nel suo insieme, quindi non completamente vuoto.
Un vuoto così ampio e profondo è inaspettato nel modello standard – e quindi controverso. La CMB fornisce un’istantanea della struttura dell’universo infantile, suggerendo che la materia oggi dovrebbe essere distribuita in modo piuttosto uniforme. Tuttavia, il conteggio diretto del numero di galassie in diverse regioni suggerisce effettivamente che ci troviamo in un vuoto locale.
Modificare le leggi della gravità
Il team vuole testare ulteriormente questa idea confrontando molte diverse osservazioni cosmologiche, assumendo che viviamo in un grande vuoto cresciuto da una piccola fluttuazione di densità in tempi remoti.
Per fare ciò, il modello non ha incorporato ΛCDM ma una teoria alternativa chiamata Dinamica Newtoniana Modificata (MOND) .
La MOND è stata originariamente proposta per spiegare le anomalie nella velocità di rotazione delle galassie, che è ciò che ha portato a ipotizzare l’esistenza di una sostanza invisibile chiamata “materia oscura”. MOND suggerisce invece che le anomalie possano essere spiegate dalla legge di gravità di Newton che viene meno quando l’attrazione gravitazionale è molto debole, come nel caso delle regioni esterne delle galassie.
La storia complessiva dell’espansione cosmica nella MOND sarebbe simile al modello standard, ma la struttura (come gli ammassi di galassie) crescerebbe più velocemente nella MOND. Nel nuovo modello cattura come potrebbe apparire l’universo locale in un universo MOND. Ed è stato scoperto che ciò consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione odierno di fluttuare a seconda della nostra posizione.
Recenti osservazioni delle galassie hanno consentito un nuovo test cruciale del nuovo modello basato sulla velocità prevista in diverse località. Questo può essere fatto misurando qualcosa chiamato flusso di massa, che è la velocità media della materia in una data sfera, densa o meno. Questo varia con il raggio della sfera, con recenti osservazioni che mostrano che continua fino a un miliardo di anni luce.
È interessante notare che il flusso di galassie su questa scala ha una velocità quadrupla rispetto a quella prevista nel modello standard. Sembra inoltre aumentare con la dimensione della regione considerata, contrariamente a quanto previsto dal modello standard. La probabilità che ciò sia coerente con il modello standard è inferiore a una su un milione.
Ciò ci ha spinto a vedere cosa prevedeva il nuovo studio per il flusso di massa. Gli scienziati hanno scoperto che produce una corrispondenza abbastanza buona con le osservazioni. Ciò richiede che siamo abbastanza vicini al centro del vuoto, e che il vuoto sia più vuoto al suo centro.
Caso chiuso?
I nuovi risultati arrivano in un momento in cui le soluzioni popolari alla tensione di Hubble sono in difficoltà. Alcuni credono che abbiamo solo bisogno di misurazioni più precise. Altri pensano che possa essere risolto assumendo che l’elevato tasso di espansione che misuriamo localmente sia effettivamente quello corretto. Ma ciò richiede una leggera modifica alla storia dell’espansione nell’universo primordiale, in modo che la CMB sembri ancora corretta.
Sfortunatamente, un’autorevole revisione evidenzia sette problemi con questo approccio. Se l’universo si espandesse del 10% più velocemente nel corso della stragrande maggioranza della storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% più giovane, contraddicendo l’età delle stelle più antiche.
L’esistenza di un vuoto locale profondo ed esteso nel conteggio dei numeri della galassia e i rapidi flussi di massa osservati suggeriscono fortemente che la struttura cresce più velocemente del previsto in ΛCDM su scale da decine a centinaia di milioni di anni luce.
È interessante notare che sappiamo che il massiccio ammasso di galassie El Gordo si è formato troppo presto nella storia cosmica e ha una massa e una velocità di collisione troppo elevate per essere compatibile con il modello standard. Questa è un’ulteriore prova del fatto che la struttura si forma troppo lentamente in questo modello.
Poiché la gravità è la forza dominante su scale così grandi, molto probabilmente il team avrà bisogno di estendere la teoria della gravità di Einstein, la Relatività Generale, ma solo su scale più grandi di un milione di anni luce.
Tuttavia, non non c’è un buon modo per misurare il comportamento della gravità su scale molto più grandi: non esistono oggetti legati gravitazionalmente così enormi. Possiamo supporre che la Relatività Generale rimanga valida e confrontarla con le osservazioni, ma è proprio questo approccio che porta alle tensioni molto gravi attualmente affrontate dal nostro miglior modello di cosmologia.
Si pensa che Einstein abbia detto che non possiamo risolvere i problemi con lo stesso modo di pensare che li ha originati. Anche se i cambiamenti richiesti non fossero drastici, potremmo comunque assistere alla prima prova attendibile da più di un secolo della necessità di cambiare la nostra teoria della gravità.
Fonte: Royal Astronomical Society
