Da oltre un secolo, gli astronomi ritengono che l’Universo si è espanso dal Big Bang. Per i primi 8 miliardi di anni, il tasso di espansione è stato relativamente costante poiché è stato compensato dalla forza della gravità.
Tuttavia, grazie a missioni come il telescopio spaziale Hubble, da allora gli astronomi hanno appreso che circa 5 miliardi di anni fa, il tasso di espansione ha cominciato ad accelerare. Ciò ha portato alla teoria ampiamente accettata che dietro l’espansione ci sia una forza misteriosa (nota come Energia Oscura), mentre alcuni insistono sul fatto che la forza di gravità potrebbe essere cambiata nel tempo.
Questa è un’ipotesi controversa poiché ha come conseguenza che la teoria della relatività generale di Einstein (che è stata convalidata in nove modi) deve essere sbagliata ma, ora, secondo un nuovo studio della collaborazione internazionale Dark Energy Survey (DES), la natura della gravità è rimasta la stessa per tutta la storia dell’Universo.
Questi risultati arrivano poco prima che due telescopi spaziali di nuova generazione (Nancy Grace Roman ed Euclid) vengano inviati nello spazio per condurre misurazioni ancora più precise della gravità e del suo ruolo nell’evoluzione cosmica. La collaborazione DES comprende ricercatori provenienti da università e istituti negli Stati Uniti, Regno Unito, Canada, Cile, Spagna, Brasile, Germania, Giappone, Italia, Australia, Norvegia e Svizzera.
I risultati del terzo anno sono stati presentati alla Conferenza internazionale sulla fisica delle particelle e la cosmologia (COSMO’22), che si è svolta a Rio de Janeiro dal 22 al 26 agosto.
Sono stati anche condivisi in un articolo intitolato “Dark Energy Survey Year 3 Results: Constraints on extensions to Lambda CDM with weak lensing and galaxy clustering” apparso sulla rivista Physical Review D dell’American Physical Society.
La Teoria della Relatività Generale di Einstein, da lui finalizzata nel 1915, descrive come la curvatura dello spaziotempo viene alterata in presenza di gravità. Per oltre un secolo, questa teoria ha predetto accuratamente quasi tutto nel nostro Universo, dall’orbita di Mercurio alla lente gravitazionale fino all’esistenza dei buchi neri.
Ma tra gli anni ’60 e ’90 sono state scoperte due discrepanze che hanno portato gli astronomi a chiedersi se la teoria di Einstein fosse corretta. In primo luogo, gli astronomi hanno notato che gli effetti gravitazionali di strutture massicce (come galassie e ammassi di galassie) non erano in accordo con la loro massa osservata.
Ciò ha dato origine alla teoria secondo cui lo spazio è pieno di una massa invisibile che interagisce con la materia “normale” (ovvero “luminosa” o visibile) tramite la gravità. Nel frattempo, l’espansione osservata del cosmo (e come è soggetto all’accelerazione) ha dato origine alla teoria dell’energia oscura e al modello cosmologico Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM).
Cold Dark Matter è un’interpretazione in cui questa massa è composta da particelle grandi e lente mentre Lambda rappresenta l’Energia Oscura. In teoria, queste due forze costituiscono il 95 per cento del contenuto totale di massa-energia dell’Universo, ma tutti i tentativi di trovarne una prova diretta sono falliti.
L’unica alternativa possibile è che la relatività debba essere modificata per tenere conto di queste discrepanze. Per scoprire se è così, i membri del DES hanno utilizzato il telescopio da 4 metri Victor M. Blanco presso l’Osservatorio interamericano Cerro Telolo in Cile per osservare galassie fino a 5 miliardi di anni luce di distanza.
Speravano di determinare se la gravità è variata negli ultimi 5 miliardi di anni (da quando è iniziata l’accelerazione) o su distanze cosmiche. Hanno anche consultato i dati di altri telescopi, incluso il satellite Planck dell’ESA, che dal 2009 esegue la mappatura del Fondo cosmico a microonde (CMB).
Hanno prestato molta attenzione al modo in cui le immagini che hanno visto contenevano sottili distorsioni dovute alla materia oscura (lenti gravitazionali). Come illustrato nella prima immagine rilasciata dal James Webb Space Telescope (JWST), gli scienziati possono dedurre la forza di gravità analizzando la misura in cui una lente gravitazionale distorce lo spaziotempo.
Finora, la DES Collaboration ha misurato le forme di oltre 100 milioni di galassie e tutte le osservazioni corrispondono a quanto previsto dalla Relatività Generale. La buona notizia è che la teoria di Einstein è ancora valida, ma questo significa anche che il mistero dell’Energia Oscura persiste.
Fortunatamente, gli astronomi non dovranno aspettare molto prima che siano disponibili dati nuovi e più dettagliati. In primo luogo, c’è la missione Euclid dell’ESA, il cui lancio è previsto al più tardi entro il 2023. Questa missione mapperà la geometria dell’Universo, guardando 8 miliardi di anni nel passato per misurare gli effetti della Materia Oscura e dell’Energia Oscura.
Entro maggio 2027, sarà affiancato dal telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, che guarderà indietro di oltre 11 miliardi di anni. Queste saranno le indagini cosmologiche più dettagliate mai condotte e dovrebbero fornire le prove più convincenti a favore (o contro) del modello Lambda-CDM.
Come ha affermato in un recente comunicato stampa della NASA , la coautrice dello studio Agnès Ferté, che ha condotto la ricerca come ricercatrice post-dottorato presso il JPL :
“C’è ancora spazio per sfidare la teoria della gravità di Einstein, poiché le misurazioni diventano sempre più precise. Ma abbiamo ancora così tanto da fare prima di essere pronti per Euclide e Roman. Quindi è essenziale continuare a collaborare tra scienziati di tutto il mondo su questo problema come abbiamo fatto con il Dark Energy Survey.”
Inoltre, le osservazioni fornite da Webb delle prime stelle e galassie dell’Universo consentiranno agli astronomi di tracciare l’evoluzione del cosmo dai suoi primi periodi. Questi sforzi hanno il potenziale per rispondere ad alcuni dei misteri più urgenti nell’Universo.
Questi includono la spiegazione del motivo per cui la Relatività e la massa osservata e l’espansione dell’Universo coincidono, ma potrebbero anche fornire informazioni su come interagiscono la gravità e le altre forze fondamentali dell’Universo (come descritte dalla meccanica quantistica): una Teoria del Tutto (ToE).
Se c’è una cosa che caratterizza l’attuale era dell’astronomia, è il modo in cui le indagini a lungo termine e gli strumenti di nuova generazione si uniscono per testare ciò che è stato teorizzato fino ad ora.
Le potenziali scoperte a cui questi potrebbero portare sicuramente ci delizieranno e ci confonderanno. Ma alla fine rivoluzioneranno il modo in cui guardiamo all’Universo.
