Ecco perché l’energia oscura è il più grande problema irrisolto nell’universo

La maggior parte dell’energia nel nostro Universo è rimasta completamente sconosciuta fino alla fine degli anni ’90 e gli scienziati non sanno ancora di cosa si tratti. Solo il 5% dell’Universo, in termini di energia, è fatto di cose che conosciamo e comprendiamo: protoni, neutroni, elettroni, fotoni, neutrini, buchi neri e persino onde gravitazionali. Del resto, il 27% è materia oscura e il 68%, la più grande quantità⁠, ha la forma di una nuova sostanza misteriosa: l’energia oscura.

L’energia oscura è stata rivelata per la prima volta in modo osservazionale: esaminando la luce proveniente da fonti ultra-distanti come le supernovae. Con misurazioni della distanza e del redshift, gli scienziati hanno concluso che l’Universo non poteva essere fatto solo di materia e radiazione, ma aveva bisogno di una nuova forma di energia che avrebbe cambiato il destino del nostro Universo. Ecco perché, più di 20 anni dopo, è ancora il più grande problema irrisolto di tutti.

I diversi possibili destini dell’Universo, con il nostro destino attuale e accelerato mostrato a destra. Dopo che è trascorso abbastanza tempo, l’accelerazione lascerà ogni struttura galattica o supergalattica legata completamente isolata nell’Universo, poiché tutte le altre strutture accelereranno irrevocabilmente via. Possiamo solo guardare al passato per inferire la presenza e le proprietà dell’energia oscura, che richiedono almeno una costante, ma le sue implicazioni sono maggiori per il futuro. – NASA ED ESA

Quando uniamo tutte queste osservazioni, dalle supernove, dalla struttura su larga scala, dalle fluttuazioni del fondo cosmico a microonde, ecc., tutte indicano una singola immagine unificata dell’Universo: con il 5% di materia normale, 27% di materia oscura e 68% di energia oscura.

Un grafico della velocità di espansione apparente (asse y) rispetto alla distanza (asse x) è coerente con un universo che si espanse più velocemente in passato, ma dove galassie distanti stanno accelerando nella loro recessione oggi. Questa è una versione moderna di, che si estende migliaia di volte più lontano rispetto all’opera originale di Hubble. Si noti che i punti non formano una linea retta, indicando la variazione della velocità di espansione nel tempo. Il fatto che l’Universo segua la curva che fa è indicativo della presenza e del dominio tardivo dell’energia oscura. –  NED WRIGHT, BASATO SUGLI ULTIMI DATI DI BETOULE ET AL. (2014)

Da un punto di vista teorico, il modo in cui interpretiamo queste osservazioni è straordinariamente semplice. Sulle più grandi scale cosmiche, il nostro Universo è lo stesso in tutte le direzioni e in tutte le posizioni.

Potresti esaminare la ragnatela cosmica e notare che potresti andare milioni di anni luce in qualsiasi direzione da una galassia prima di incontrarne un’altra, ma quelle scale non sono abbastanza grandi da vedere quanto siano veramente uniformi le cose.

Il nostro universo effettivamente osservabile contiene circa 400.000 Gly³ (dove 1 Gly è un miliardo di anni luce) e, su una scala di oltre qualche miliardo di anni luce cubi, le cose sono veramente uniformi al 99,99% circa.

Quando l’Universo si comporta come se fosse lo stesso in tutte le direzioni e posizioni, è possibile scrivere una soluzione esatta per il comportamento dell’Universo: un fattore di espansione / contrazione a sinistra e tutti i termini materia ed energia a destra. Queste sono le regole che governano l’Universo in espansione e misurando come tale tasso cambia nel tempo, possiamo determinare cosa c’è nell’Universo, quanto e come si comporta.

Set di dati diversi pongono vincoli diversi su ciò che c’è nell’Universo, ma combinandoli e vedendo dove si sovrappongono, possiamo vedere se esiste un set di parametri che si adatta a tutti i diversi tipi di dati contemporaneamente.

Ecco da dove viene il “modello di concordanza” in cosmologia, di un universo che sta:

• espandendosi oggi a circa 67-74 km / s / Mpc,
• dove l’espansione è attualmente dominata (68%) dall’energia oscura,
• dove l’Universo è spazialmente piatto,
• dove il resto dell’energia dell’Universo (32%) è principalmente sotto forma di materia (sia normale che oscura),
• e dove l’Universo ha circa 13,8 miliardi di anni, da quando si è verificato il caldo Big Bang.

Anche con le recenti controversie e tensioni, questo rimane il quadro di consenso: quello che è coerente con l’intera gamma di dati che abbiamo, anche includendo le attuali incertezze.

Potrebbe sembrare strano che la maggior parte dell’energia nell’Universo non sia solo invisibile (o oscura), ma che non sia nemmeno una forma di materia!

La materia normalmente si concentra, poiché le masse sono attratte gravitazionalmente da altre masse; quando abbastanza materia si riunisce in un punto, può battere la forza di l’espansione dell’Universo e formare stelle, galassie e gruppi/ammassi di galassie. In un universo dominato dalla materia, la struttura diventa sempre più grande e diventa più complessa e simile al web col passare del tempo.

Ma in un universo che ha anche abbondanti quantità di energia oscura, ci sarà un limite alle dimensioni e alla complessità di quella rete.

L’energia oscura che vediamo si comporta come se fosse una forma di energia inerente al tessuto dello spazio stesso.

Man mano che l’Universo si espande, la materia diventa meno densa (all’aumentare del volume), la radiazione diventa sia meno densa (all’aumentare del volume) sia meno energica (quando la luce si sposta verso il rosso), ma la densità energetica dell’energia oscura rimane sempre costante.

Dopo miliardi di anni, la densità delle radiazioni e della materia è scesa al di sotto della densità dell’energia oscura, portando all’espansione accelerata che osserviamo oggi.

Mentre la materia (sia normale che oscura) e le radiazioni diventano meno dense mentre l’Universo si espande a causa del suo volume crescente, l’energia oscura è una forma di energia inerente allo spazio stesso. Man mano che viene creato nuovo spazio nell’Universo in espansione, la densità di energia oscura rimane costante. Se l’energia oscura cambiasse nel tempo, potremmo scoprire non solo una possibile soluzione a questo enigma riguardante l’Universo in espansione, ma una nuova visione rivoluzionaria sulla natura dell’esistenza. – E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

Uno degli obiettivi della moderna cosmologia osservativa è quello di descrivere completamente l’energia oscura misurando il numero di proprietà diverse sull’Universo in espansione che sono in grado di sondare la sua natura.

Osservando un gran numero di supernovae di tipo Ia molto distanti, misuriamo meglio le proprietà di aggregazione su larga scala della rete cosmica in tempi precoci, intermedi e tardivi ed estraiamo maggiori dettagli dalle fluttuazioni e dalla polarizzazione dello sfondo cosmico a microonde. Questo ci permette di perfezionare il modo con cui descriviamo l’energia oscura.

Potrebbe comportarsi come una costante cosmologica, il che significherebbe che si tratta una forma di energia inerente allo spazio stesso, oppure potrebbe comportarsi in un modo più complesso: come una forma generale di energia con la sua unica (e forse dinamica, in continua evoluzione) equazione di stato.

Tuttavia, le osservazioni escludono completamente un universo governato dalla relatività generale senza alcuna energia oscura.

Il modo in cui descriviamo convenzionalmente l’energia oscura è attraverso un singolo parametro:  w, noto come equazione di stato. In fisica, w mette in relazione la densità energetica di qualsiasi forma di energia con la pressione di quella forma di energia.

Per la materia normale che si muove a velocità trascurabili rispetto alla velocità della luce,  w = 0, il che significa che sia la materia normale che la materia oscura sono senza pressione.

La radiazione invece esercita una pressione:  w = + ⅓. Questa pressione positiva porta a un tasso di espansione che diminuisce rapidamente con il tempo: quando l’Universo è dominato dalle radiazioni, il suo tasso di espansione diminuisce più rapidamente di un Universo dominato dalla materia (con w = 0).

Puoi anche avere un Universo con  w  = -⅓ (dominato da stringhe cosmiche o spazio curvo), con  w = -⅔ (dominato da muri di dominio) o da una costante cosmologica: con  w  = -1. Mentre altri valori sono possibili, così come i cambiamenti in w con il tempo, abbiamo vincolato w per uguagliare esattamente -1, con un’incertezza di circa il 10% al massimo.

Teoricamente, i modelli più semplici per una nuova forma di energia nell’Universo avvengono in incrementi per w di ⅓; il fatto che l’energia oscura sia molto vicina a -1,00 ci insegna che è più coerente con una costante cosmologica (dove  w  = -1 esattamente) di qualsiasi altra forma di energia che comprendiamo.

La costante cosmologica, in Relatività generale, è interessante perché è l’unica forma di energia che puoi aggiungere alle equazioni di Einstein (e quindi alle equazioni di Friedmann) oltre ai tipi di materia ed energia trovati nell’Universo.

Si presenta anche nella teoria dei campi quantistici: come energia inerente allo spazio vuoto stesso.

Se fossimo in grado di calcolare i contributi di tutte le diverse particelle e campi che possono esistere in questo Universo – e come si applicano al vuoto dello spazio stesso – ci aspetteremmo di ottenere il valore per l’energia del punto zero dello spazio stesso, e quindi, il valore della costante cosmologica del nostro Universo.

Visualizzazione di un calcolo della teoria dei campi quantistici che mostra particelle virtuali nel vuoto quantistico. – DEREK LEINWEBER

“Va bene“, dici, “sappiamo come iniziare a calcolare singoli termini che contribuiscono al vuoto quantico, quindi quali sono?” E fai quei calcoli e inizi a ottenere risposte che sono troppo, troppo grandi per essere corrette: circa 120 ordini di grandezza superiori a quelli consentiti dai vincoli osservativi.

Quando inizi a vedere il perché, capisci che succede perché il valore della costante cosmologica è proporzionale a un valore di massa / energia elevato alla 4a potenza, e il valore “predefinito” che vi si trova è una combinazione di tre costanti fondamentali:  c (il velocità della luce),  h (costante di Planck) e  G (costante gravitazionale). Costruisci una massa / energia da quelle e il valore che ottieni è circa ~ 10 ¹⁹ GeV, noto come massa / energia di Planck.

Questa è un’incongruenza tremenda, e molti costrutti teorici sono fatti in modo tale che l’energia oscura viene spiegata attraverso un meccanismo diverso.

Un’illustrazione di come la radiazione (rosso), il neutrino (tratteggiato), la materia (blu) e l’energia oscura Le densità (punteggiate) cambiano nel tempo. In un nuovo modello proposto alcuni anni fa, l’energia oscura sarebbe stata sostituita dalla solida curva nera, che finora era indistinguibile, osservazionalmente, dall’energia oscura che presumiamo. –  FIGURA 1 DI F. SIMPSON ET AL. (2016), TRAMITE HTTPS://ARXIV.ORG/ABS/1607.02515

Puoi provare a scartare la Relatività Generale e modificare la gravità invece, il che ti consente di introdurre una serie di nuovi parametri liberi che potrebbero spiegare l’energia oscura invece di una costante cosmologica.

Puoi introdurre un nuovo campo nell’Universo, che si accoppia alle varie forze o interazioni in un numero di modi possibili, consentendo comportamenti che inducono il tasso di espansione dell’Universo a comportarsi nei modi in cui osserviamo.

Puoi costruire un modello in cui le condizioni che esistevano durante la fase inflazionistica (l’unico altro periodo noto di espansione esponenziale) sono collegate all’energia oscura di oggi.

Oppure potresti introdurre una nuova idea che porta a effetti diversi da quelli che normalmente ci aspettiamo nel nostro Universo. Ogni modello che offre osservabili significativamente diversi rispetto a una costante cosmologica può essere messo alla prova.

Un universo con energia oscura (rosso), un universo con grande energia di disomogeneità (blu) e un Universo critico, privo di energia oscura (verde). Nota che la linea blu si comporta diversamente dall’energia oscura. Le nuove idee dovrebbero fare previsioni diverse, osservabili e verificabili dalle altre idee principali. E le idee che hanno fallito quei test osservazionali dovrebbero essere abbandonate una volta raggiunta l’assurdità. –  GÁBOR RÁCZ ET AL., 2017

Ovviamente, non vi è alcuna motivazione sul perché una di queste contorsioni teoriche sarebbe necessaria, dal momento che una qualsiasi di queste modifiche deve continuare a fare i conti con la costante cosmologica e l’energia del punto zero dello spazio nella teoria dei campi quantistici. Ad oggi, tutti allontanano a mano il problema, sostenendo che il “vero” valore di aspettativa del vuoto è probabilmente zero e attribuendo ciò che osserviamo come energia oscura a un ulteriore effetto ad hoc .

Certo, questo ti consente la libertà – introducendo qualunque modifica di gravità, qualunque nuovo campo, qualunque modello congiunto di inflazione + energia oscura, o qualunque altra idea che inventi – per ottenere da esso qualunque destino dell’Universo che ti piace.

Ma non c’è motivazione per nessuno di questi passaggi. La realtà è che ogni indicatore che abbiamo mostra che l’energia oscura non è diversa da una costante cosmologica semplice. Qualsiasi altra cosa non è esclusa, ma è motivata da nient’altro che un pio desiderio e riflessioni teoricamente immaginative.

I destini lontani dell’Universo offrono una serie di possibilità, ma se l’energia oscura è davvero un costante, come indicano i dati, continuerà a seguire la curva rossa, portando allo scenario a lungo termine qui descritto: dell’eventuale morte termica dell’Universo. – NASA / GSFC

Ciò che molte persone hanno notato, tuttavia, è che forse un calcolo che porta a mettere la massa / energia di Planck nel valore della costante cosmologica è completamente sbagliato. Se invece di 10¹⁹ GeV , mettessimo in una massa / energia più vicina a 0,001-0,01 eV che porteremmo alla 4a potenza, otterremmo un valore della costante cosmologica che corrisponde a ciò che osserviamo nel nostro universo.

La cosa molto, molto interessante di questa gamma di massa è che ci sono due classi di particelle che cadono naturalmente in essa:

1. il neutrino; da una varietà di misurazioni, sappiamo che i neutrini hanno masse leggermente diverse tra loro e che le differenze tra le diverse specie rientrano in questo intervallo.
2. l’assione, che è una particella teorica e un candidato della materia oscura; molte variazioni dell’assione potrebbero avere una massa a riposo nella gamma da micro-eV a milli-eV.

Se c’è una nuova fisica che appare su questa scala a bassa energia, i suoi contributi al vuoto quantico potrebbero spiegare anche il mistero dell’energia oscura.

Il rilevatore XENON1T, con il suo criostato a basso fondo, è installato al centro di un grande scudo d’acqua per proteggere lo strumento dai raggi cosmici di fondo. Questa configurazione consente agli scienziati che lavorano all’esperimento XENON1T di ridurre notevolmente il rumore di fondo e di scoprire con maggiore sicurezza i segnali dei processi che stanno tentando di studiare. XENON non è solo alla ricerca di materia oscura pesante, simile al WIMP, ma di altre forme di potenziale materia oscura, inclusi candidati alla luce come fotoni oscuri e particelle simili ad assioni. – COLLABORAZIONE XENON1T

Il vero punto della questione è che, osservativamente, l’energia oscura si sta comportando come se fosse una forma di energia inerente al tessuto dello spazio stesso.

WFIRST, la principale missione astrofisica della NASA degli anni ’20 (dopo il James Webb), dovrebbe permetterci di ridurre i vincoli misurati su w fino al livello dell’1 o 2%. Se sembrerà ancora indistinguibile da una costante cosmologica (con  w  = -1), allora non avremo altra scelta che fare i conti con il vuoto quantico stesso.

Perché lo spazio vuoto ha le proprietà che ha? Perché l’energia del punto zero del tessuto dell’Universo è un valore positivo, diverso da zero? E perché l’energia oscura ha il comportamento che osserviamo, piuttosto che qualsiasi altro?

Esistono un numero infinito di modelli che possiamo elaborare per descrivere ciò che vediamo, ma il modello più semplice – quello con una costante cosmologica diversa da zero – non richiede aggiunte o modifiche per abbinare i dati.

Fino a quando non avremo fatto progressi nella comprensione del vuoto quantistico stesso, l’energia oscura rimarrà il più grande enigma irrisolto in tutta la fisica teorica moderna.

Fonte: Forbes