I cosmologi basano le loro aspettative sul tasso di espansione – una misura nota come costante di Hubble – calcolata in base alle misurazioni delle radiazioni emesse poco dopo il Big Bang, il cosiddetto sfondo cosmico a microonde. Questa radiazione rivela gli ingredienti precisi dell’universo primordiale. I cosmologi inseriscono gli ingredienti nel loro modello dell’evoluzione cosmica e con questo calcolano con che velocità lo spazio dovrebbe espandersi oggi.
Tuttavia i conti non tornano: quando i cosmologi osservano oggetti astronomici come stelle pulsanti e supernove esplosive, vedono un universo che si sta espandendo più velocemente del previsto, con un valore della costante di Hubble più grande.
La discrepanza, nota come tensione di Hubble, è rimasta, anche utilizzando sistemi sempre più precisi per effettuare le misurazioni. Alcuni astrofisici continuano a discutere se persista o meno un errore nei calcoli, ma se la discrepanza si rivelasse reale, significherebbe che manca qualcosa nel modello cosmologico dell’universo.
Di recente, i fisici teorici hanno provato a immaginare nuovi ingredienti cosmici che, se aggiunti al modello standard, potrebbero aumentare il tasso di espansione previsto dell’universo, facendolo corrispondere alle osservazioni.
“La scoperta di anomalie è il modo fondamentale in cui la scienza fa progressi“, ha spiegato Avi Loe, cosmologo, astrofisico ed astronomo dell’Università di Harvard e uno dei tanti di ricercatori che hanno proposto soluzioni alla tensione di Hubble.
Sono state proposte diverse idee per risolvere questa crisi cosmica, ecco le più gettonate:
Materia oscura in decomposizione
Il modello cosmologico standard incorpora tutte le forme familiari di materia e radiazione e le loro interazioni. Include anche le sostanze invisibili note come energia oscura e materia oscura, che insieme costituiscono circa il 96% del contenuto di tutto l’universo. Poiché si sa così poco di questi ingredienti oscuri, vengono considerati i responsabili più ovvi da cui iniziare a manomettere il modello standard. “Questo è ciò che hai a disposizione per cambiare il tasso di espansione dell’universo“, ha detto Loeb.
Il modello standard presuppone che la materia oscura sia costituita da particelle a movimento lento che non interagiscono con la luce.
E se assumessimo che la materia oscura non è composta da una sola sostanza? Poiché esistono molti tipi diversi di particelle visibili – quark, elettroni e così via – potrebbero esserci anche più particelle oscure.
In un articolo pubblicato la scorsa estate su Physical Review D, Loeb e due collaboratori hanno considerato una forma di materia oscura che decade in una particella visibile e una particella priva di massa nota come fotone oscuro.
Man mano che sempre più materia oscura decade nel tempo, sostengono, la sua attrazione gravitazionale si attenua, e questo spiegherebbe perché l’espansione dell’universo sta accelerando.
Ma apportare piccole modifiche come questa al modello cosmologico standard può avere effetti a catena imprevedibili. “È molto facile inventare tutti i tipi di lievi modifiche“, ha detto Marc Kamionkowski, fisico teorico presso la Johns Hopkins University – ma è difficile farlo, ha spiegato, senza rovinare la perfetta aderenza del modello ad una moltitudine di altre osservazioni astronomiche.
Variando il tasso di decadimento e la quantità di materia oscura che si perde in ogni decadimento, Loeb e colleghi hanno selezionato un modello di materia oscura in decomposizione che, secondo loro, concorda ancora con altre osservazioni astronomiche. “Se aggiungi questo ingrediente al modello cosmologico standard, tutto torna“, ha detto Loeb.
Tuttavia, lo stesso Loeb è insoddisfatto dell’idea di materia oscura in decomposizione, in parte perché introduce due nuovi valori incerti nelle equazioni.
“In questo caso, aggiungiamo due parametri arbitrari per risolvere una discrepanza – e non mi sento a mio agio a riguardo“, ha detto, confrontando la materia oscura in decomposizione con gli epicicli nel modello dell’universo incentrato sulla Terra di Tolomeo. “Preferirei avere due discrepanze spiegate da un unico parametro“.
Energia oscura incostante
Sin dalla scoperta, in parte sorprendente, avvenuta nel 1998 del fatto che l’espansione dell’universo sta accelerando, i cosmologi hanno incluso un’energia oscura sconosciuta nel loro modello dell’evoluzione cosmica. La sua natura, però, rimane un mistero. La possibilità più semplice è che l’energia oscura sia la “costante cosmologica” – l’energia dello spazio stesso, con una densità costante ovunque.
E se la quantità di energia oscura nell’universo non fosse costante?
Una dose extra di energia oscura nell’universo primordiale, soprannominata energia oscura primordiale, potrebbe riconciliare i valori contrastanti della costante di Hubble. La pressione di questa energia oscura primordiale potrebbe aver accelerato l’espansione dell’universo. “La parte difficile è che [l’energia oscura primordiale] non può davvero restare in giro; deve sparire rapidamente“, ha detto Lisa Randall, fisica delle particelle e cosmologa ad Harvard.
Accanto all’energia oscura primordiale, i teorici hanno ipotizzato altre forme esotiche di energia oscura – come la quintessenza e l’energia oscura fantasma – che mutano con l’invecchiamento dell’universo. Mentre queste estensioni al modello standard alleviano la tensione di Hubble, sono considerate da molti cosmologi come perfezionamenti – opportune aggiunte matematiche che non hanno una chiara giustificazione.
Kamionkowski, però, afferma che le nuove forme di energia oscura sembrano meno inventate se considerate insieme ad altri periodi di espansione nella storia dell’universo. Ad esempio, la maggior parte dei cosmologi pensa che lo spazio si sia espanso esponenzialmente all’inizio del Big Bang durante un periodo noto come inflazione, che era guidato da un diverso tipo di energia oscura rispetto a quella esistente oggi. Si ritiene che tali periodi dominati dall’energia oscura “si verificano occasionalmente nella storia dell’universo“, ha detto Kamionkowski.
Gravità modificata
Nel modello cosmologico standard, tutte le forme conosciute di materia e radiazione, oltre alla materia oscura e all’energia oscura, sono previste nella teoria della gravità di Albert Einstein e le equazioni di Einstein indicano come lo spazio si espande di conseguenza. Ciò significa che, oltre a modificare o aggiungere ingredienti cosmici al modello, esiste un altro modo in cui i fisici possono riconciliarlo con il tasso di espansione cosmica osservato: “Possiamo ipotizzare che le equazioni di Einstein non siano corrette“, ha detto Loeb.
William Barker, uno studente di dottorato all’Università di Cambridge, era alla ricerca di una teoria della “gravità modificata” l’estate scorsa, quando si imbatté in un modo per risolvere la tensione di Hubble. Barker ha trovato un modello a gravità modificata “in grado di comportarsi come se ci fossero radiazioni extra nell’universo primordiale“; la pressione di radiazione potrebbe aver aumentato la velocità di espansione cosmica.
Ma in una prestampa presentata alla Physical Review D di marzo, Barker e tre coautori riconoscono che sono necessarie molte più analisi per vedere se il modello può descrivere non solo come si espande l’universo ma anche come si sono evolute strutture come galassie e ammassi.
Con i telescopi contemporanei che offrono un eccesso di dati straordinariamente precisi su tali strutture, elaborare una teoria che corrisponda a tutte le osservazioni non è un’impresa da poco. “Molte delle teorie della gravità modificata non sono teorie complete e quando stai cercando di fare un calcolo dettagliato con set di dati sofisticati … è difficile farlo in modo solido“, ha detto Kamionkowski.
Aspettiamo e vediamo
“Sappiamo tutti che sono adattamenti ad hoc“, ha commentato la Randall delle ipotesi proposte finora. “La cosa sorprendente è che anche con queste aggiunte ad hoc, è ancora molto difficile compensare la discrepanza“.
Anche con la massima libertà, la maggior parte dei modelli non standard si limitano a ridurre la tensione di Hubble anziché eliminarla. Prevedono un tasso di espansione cosmica più veloce rispetto al modello standard, ma non è ancora abbastanza veloce da abbinare le osservazioni di supernova e altri oggetti astronomici.
Nei prossimi anni, il telescopio Euclide e altri ancora mapperanno meticolosamente come la gravità e l’energia oscura hanno modellato l’evoluzione cosmica. Nel frattempo, le onde gravitazionali emesse dalle stelle di neutroni in collisione offrono un nuovo modo di misurare la costante di Hubble. I nuovi dati escluderanno alcune di queste nuove soluzioni alla tensione di Hubble, ma potrebbero apparire nuove crepe nel modello standard. Per ora, molti cosmologi sono riluttanti a complicare il modello che, a parte la tensione di Hubble, si adatta perfettamente alle osservazioni. “C’è come un senso di attesa nel restare a vedere se a qualcuno viene l’idea buona“, ha detto la Randall.
Lisa Randall ha aggiunto che anche se la tensione di Hubble si rivelasse essere nient’altro che un accumulo di errori, questa ricerca di una nuova fisica potrebbe non essere inutile.
“Occasionalmente, da cose che alla fine vengono scartate provengono risultati interessanti“, ha detto. “Questo costringe a pensare: cosa sappiamo? E quanto possiamo cambiare le cose?”
Fonte: Quanta Magazine
