Un nuovo studio potrebbe aiutare a rivelare la natura dell’energia oscura, la misteriosa sostanza che spinge l’universo verso l’esterno. L’energia oscura può derivare da fluttuazioni in qualsiasi cosa dallo spazio vuoto, suggerisce una nuova ipotesi.
Quell’idea, a sua volta, potrebbe anche spiegare perché la costante cosmologica, una costante matematica notoriamente chiamata da Albert Einstein “il più grande errore della sua vita”, ha il suo valore.
Un nuovo studio sulla natura dell’energia oscura
Il nuovo studio ha proposto che l’espansione sia guidata dalle fluttuazioni dell’energia oscura trasportata dal vuoto, o da aree di spazio senza materia. Le fluttuazioni creano pressioni che costringono lo spazio stesso ad espandersi, rendendo la materia e l’energia meno dense man mano che l’universo invecchia, ha affermato il coautore dello studio Qingdi Wang, studente di dottorato presso l’Università della British Columbia (UBC) in Canada.
Velocizza l’universo
Gli scienziati chiamano la forza che spinge l’universo ad espandersi una costante cosmologica (sebbene non sia una “forza” in senso stretto). Questa costante è la densità di energia dello spazio stesso. Se è maggiore di zero, le equazioni della relatività di Einstein, che descrivono la struttura dello spazio-tempo, implicano un universo in espansione. Alla fine degli anni ’90, le misurazioni di supernove distanti hanno mostrato che l’universo stava accelerando, non solo espandendosi. I cosmologi chiamano l’energia che guida quell’accelerazione energia oscura. Qualunque sia l’energia oscura, evapora più lentamente della materia o della materia oscura e non si aggrega come fanno ognuna di esse sotto l’influenza della gravità.
Questa accelerazione è stata un grosso dilemma per i fisici perché contraddice le previsioni delle teorie quantistiche dei campi, le strutture teoriche che descrivono le interazioni delle più piccole particelle subatomiche. Le teorie dei campi quantistici prevedono energie del vuoto così grandi che l’universo non dovrebbe esistere affatto, ha detto Lucas Lombriser, un borsista post-dottorato presso il Royal Observatory, Edimburgo, in Scozia, che non è stato coinvolto nel nuovo studio. Questa discrepanza è stata chiamata il “vecchio” problema della costante cosmologica, ei fisici generalmente pensavano che quando fosse stata scoperta la nuova fisica, la costante cosmologica sarebbe scomparsa; e l’estensione verrebbe interpretata in modo diverso.
Tuttavia, quando gli scienziati hanno scoperto l’espansione accelerata, è sorto un nuovo problema. Secondo i calcoli teorici, la costante cosmologica dovrebbe essere da 50 a 120 ordini di grandezza più grande di quella che è, con un corrispondente grado di espansione, ha detto Lombriser.
Essenzialmente, la densità energetica dell’universo (quanta energia c’è per unità di volume), deve essere gigantesca e chiaramente non lo è.
Fluttuazioni nello spazio vuoto
Il nuovo lavoro affronta non solo cos’è l’energia oscura, ma anche il motivo per il quale il tasso di espansione universale ha il valore che ha.
“Tutti vogliono sapere cos’è l’energia oscura”, ha detto Wang. “Ho riconsiderato questa domanda più attentamente dal punto di vista della densità energetica dell’universo”.
Wang e i suoi colleghi presumevano che la moderna teoria quantistica dei campi fosse corretta e che la densità di energia fosse molto grande, ma che le fluttuazioni del vuoto, o i movimenti dello spazio vuoto, fossero molto grandi su scale minuscole, vicino alla cosiddetta lunghezza di Planck, o 1,62 . × 10^ meno 35 metri. È così piccolo che un protone è 100 milioni di trilioni di volte più grande.
“Ogni punto nello spazio passa attraverso l’espansione e la contrazione”, ha affermato. “Ma sembra liscio, proprio come un tavolo sembra da lontano.”
Le fluttuazioni del vuoto, nella formulazione di Wang, sono come bambini su un’altalena che pompano le gambe. Sebbene nessuno li spinga, riescono a dare energia extra allo swing, facendolo andare più in alto del solito. Questo fenomeno è chiamato risonanza parametrica, che sostanzialmente significa che parte del sistema – l’espansione e la contrazione, o l’oscillazione delle gambe del bambino – cambia nel tempo. In questo caso, la densità di una parte molto piccola dell’universo cambia, ha detto Wang.
“Mentre le fluttuazioni si espandono e contraggono piccoli pezzi dell’universo, questa piccola risonanza converge su scale cosmologiche”, ha affermato. Quindi l’universo si sta espandendo. (L’espansione e la contrazione dello spazio non violano le leggi di conservazione, perché lo spazio stesso si sta espandendo).
Come risultato dell’approccio di Wang, non c’è bisogno di nuovi campi, come in alcuni modelli di energia oscura. Invece, l’espansione dell’universo è circa la stessa di quella già prevista dalla teoria quantistica dei campi.
Osservazioni necessarie
Sebbene l’idea di Wang sia buona, ciò non significa che sia la fine della storia, ha detto Lombriser. La domanda è se le osservazioni dell’universo trasmettono la teoria, ha detto.
“Finora possono sostenere che il contributo del vuoto è nel margine giusto per ciò che viene osservato (che, se regge, è già un enorme successo)”, ha detto Lombriser in una e-mail. “Non hanno ancora fatto una previsione accurata per il valore esatto osservato, ma questo è qualcosa che intendono esplorare ulteriormente nel loro lavoro futuro”.
Altri fisici sono più scettici
“A queste scale di alta energia, la relatività generale classica non funziona più, ma è quello che usano. Quindi il loro approccio è interessante, ma non è ben motivato, perché in questo limite dovresti usare la gravità quantistica (una teoria che non conosciamo). Ha affermato Sabine Hossenfelder, ricercatrice associata presso l’Istituto di studi avanzati di Francoforte in Germania.
“Questo articolo è solo un primo passo nel processo”, ha detto il compagno di studi William Unruh, fisico dell’UBC. “Ma penso che il percorso valga la pena perseguire perché i nostri risultati sono suggestivi”.
Lo studio è pubblicato sulla rivista Physical Review D.