Abbiamo problemi con l’energia oscura, alcune osservazioni non corrispondono a quanto gli scienziati si aspettavano di vedere. Proviamo a capire cosa succede.
Immagina di trovarti al centro di un fuoco d’artificio appena esploso. Dopo il primo lampo di luce e calore, le scintille si disperdono in tutte le direzioni: alcune si uniscono in filamenti infuocati, mentre altre svaniscono rapidamente in un oblio freddo e cenere. Dopo un altro istante, non rimane che il fumo, l’eco, per così dire, del grande scoppio del fuoco d’artificio.
Ora immagina che il fuoco d’artificio sia l’universo, che secondo gli scienziati ha avuto origine con un’esplosione simile. Mentre l’espansione del fuoco d’artificio è spinta da una reazione chimica, l’espansione del cosmo deriva dall’energia dello spazio vuoto stesso. Da dove ci troviamo, sembra che l’universo si stia espandendo in tutte le direzioni, sempre più velocemente.
Questa primavera, gli scienziati hanno annunciato che qualcosa non va nei fuochi d’artificio. Per la prima volta dalla scoperta dell’energia oscura — la misteriosa forza che sta accelerando il nostro spettacolo cosmico di fuochi d’artificio — i cosmologi pensano che potremmo essere sull’orlo di qualcosa di nuovo. Due importanti ricerche sull’energia oscura, che mirano a misurare la natura di questa forza, hanno trovato prove che l’energia oscura sembra essersi indebolita nel tempo.
“Se è vero, è un grosso problema“, afferma Licia Verde, cosmologa teorica dell’Istituto di Scienze del Cosmo dell’Università di Barcellona, in Spagna, e membro della collaborazione che ha segnalato l’anomalia. “Ma come al solito, affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie.”
L’energia oscura era considerata una forza costante nell’universo, immutabile e affidabile come il progresso del tempo. Se i nuovi risultati sono corretti, allora potrebbe essere che muti. “È di enorme importanza“, afferma Paul J. Steinhardt, cosmologo dell’Università di Princeton, che non ha lavorato sui dati, aggiungendo che ciò è vero solo se i risultati reggeranno al vaglio. “Ma è ancora presto.”
La notizia si basa su una combinazione di due studi sull’energia oscura, chiamati Dark Energy Survey (DES) e Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), con un terzo set di dati preesistenti. Il DES misura supernove lontane, e l’esperimento DESI misura galassie e onde sonore provenienti dall’universo primordiale. Il terzo componente misura la radiazione cosmica di fondo (CMB) — l’anello di fumo del fuoco d’artificio cosmico.
Il DES ha rivelato nuovi risultati a febbraio, e DESI ha prodotto nuovi risultati ad aprile. I dati DESI hanno creato una mappa tridimensionale dettagliata dell’universo. Hanno mostrato che le galassie sembrano essere distribuite meno di quanto dovrebbero essere se il ruolo dell’energia oscura fosse rimasto invariato nel tempo cosmico.
Il telescopio DESI si trova sul Kitt Peak in Arizona e misura le posizioni di milioni di galassie come esistevano tra 12 miliardi e due miliardi di anni fa. Gli astronomi hanno confrontato queste località galattiche osservate con dove ci si aspetterebbe che le galassie fossero, basandosi sulle previsioni dell’energia oscura, e hanno notato la mancanza della prevista dispersione.
Una sorpresa ancora maggiore è arrivata quando i cosmologi hanno combinato le galassie DESI, le supernove del DES e la radiazione cosmica di fondo. La mappa della realtà ha cominciato a divergere dalla teoria.
I teorici sono in fermento: se i risultati sono veri, un fondamento della cosmologia è errato. Gli scienziati potrebbero dover abbandonare l’idea ampiamente diffusa che l’energia oscura sia una “costante cosmologica” — un elemento statico dell’universo.
“Se la costante cosmologica è sbagliata, tutto è in discussione su ciò che è giusto“, dice Adam G. Riess, cosmologo della Johns Hopkins University, che ha condiviso il Premio Nobel per la Fisica nel 2011 per la scoperta dell’energia oscura e che non ha lavorato sui nuovi risultati.
Per capire cosa non va, dobbiamo tornare ad Albert Einstein. Quando stava formulando la sua teoria generale della relatività, assunse che l’universo fosse uniformemente distribuito e stazionario. Questa idea era audace nel 1917, quando non sapevamo nemmeno che esistessero altre galassie e le prove suggerivano che le stelle non erano distribuite uniformemente. Ma nelle equazioni di Einstein, la gravità e l’uniformità non vanno d’accordo. La gravità causa instabilità.
Se la gravità fosse dominante in un universo curvo, allora tutto nel cosmo dovrebbe aggregarsi in un’unica grande massa — ma non lo fa. Einstein suppose che dovesse esserci qualche forza cosmica a contrastare la gravità, che chiamò “costante cosmologica” e descrisse usando la lettera greca Lambda. Tuttavia, nel 1929, Edwin Hubble dimostrò che l’universo non era statico ma in espansione, così Einstein abbandonò questa forza di contrasto costante, definendola il suo “più grande errore“.
Nel 1998 Riess, insieme ai cosmologi Saul Perlmutter dell’Università della California, Berkeley e Brian P. Schmidt dell’Australian National University, dimostrarono che Einstein aveva avuto ragione la prima volta. I ricercatori osservarono che le supernove esplose quando l’universo era giovane erano più deboli di quanto ci si aspettasse, il che implicava che l’universo si stava espandendo sempre più velocemente, presumibilmente a causa di una forza onnipresente e immutabile. La costante cosmologica fu resuscitata.
Gli scienziati credono che la forza dietro la costante derivi dall’energia presente nello spazio vuoto, che chiamano energia del vuoto, o energia oscura. In questa visione, man mano che l’universo si espande, ogni nuovo pezzo del crescente vuoto arriva con la propria energia del vuoto, quindi la quantità totale di energia oscura aumenta, facendo sì che l’espansione cosmica continui ad accelerare (l’energia oscura è ancora una costante perché, sebbene il suo totale aumenti man mano che l’universo cresce, la quantità di energia in ogni pezzo di spazio — la densità di energia — rimane costante.)
Inoltre, il valore costante dell’energia oscura è stato fissato al Big Bang e non è mai diminuito. Bang, zap: l’universo ha la stessa energia intrinseca ovunque, tutto in una volta.
Tutte le osservazioni effettuate dal tardo 1990 in poi sembrano confermare questo scenario. Lambda è ora il cuore del modello standard della cosmologia, che combina l’energia oscura con la gravitazione dell’abbondante, invisibile “materia oscura fredda” (CDM), nota come Lambda-CDM. Questo modello standard sostiene che circa il 68% dell’universo sia costituito da energia oscura, un altro 27% da materia oscura e il restante 5% da tutto ciò che possiamo vedere e misurare: galassie, stelle, balene, noi. Ricerche come DESI sono state progettate per misurare l’energia oscura con precisione sufficiente per comprenderne le peculiarità.
Tuttavia, non tutti sono stati soddisfatti del modello Lambda-CDM. “Sembra un insieme di circostanze molto peculiare“, dice Steinhardt. “L’unica cosa bella è che è descritto da un solo numero. Ma questo non significa che ci si debba credere. E se si scopre che l’energia oscura varia nel tempo, ciò apre molte possibilità.”
I teorici sono stati sempre più impegnati da quando i risultati DESI e la mappa 3D combinata sono stati pubblicati ad aprile. Finora, nessuna singola teoria può sostituire Lambda con qualche altra forza cosmologica non costante. Anche prima dei nuovi risultati, alcuni cosmologi preferivano alternative a un’energia oscura costante, in parte perché l’idea è strana — altre forze note non sono costanti ma variano nel tempo, nella pressione e in altri fattori — e in parte perché Lambda è privo di senso quando inserito in altre teorie della fisica.
“Nella teoria quantistica, se si calcola l’energia dello spazio vuoto, non si ottiene una risposta sensata. Ottieni l’infinito. Non funziona“, afferma Sean Carroll, un fisico teorico della Johns Hopkins University che lavora su modelli di energia oscura che variano nel tempo. Anche quando si abbandona Lambda e si usa una costante naturale per rendere finita l’energia del vuoto, si ottiene comunque un valore 100 volte superiore a quello osservato.
“Stiamo provando a fare una torta cosmica con ingredienti sbagliati“, dice Priyamvada Natarajan, cosmologa dell’Università di Yale. La maggior parte dei cosmologi si è adattata a Lambda, sapendo che è un imperfetto riempitivo per una parte mancante. “Abbiamo questa teoria della gravità — la relatività generale — che funziona brillantemente per tutto il resto che vediamo, e c’è un pezzo mancante. Questo pezzo mancante è quello che descrive l’espansione accelerata dell’universo“, dice. “Ma è una teoria incompleta.”
Forse l’energia oscura è una forza non costante, conosciuta come quintessenza, che risponde a cambiamenti di densità e altri fattori. In alcune versioni della teoria, l’energia oscura può cambiare, aumentando o diminuendo in forza, fino a una conclusione sconosciuta.
Nel 2018, una ricerca condotta da Steinhardt ha suggerito che, in futuro, l’energia oscura potrebbe diminuire tanto che l’espansione dell’universo rallenterà, forse al punto che l’universo smetterà di espandersi. In una variante ancora più radicale, la quintessenza potrebbe cambiare il corso dell’universo. Man mano che l’universo smette di espandersi, la quintessenza diventa negativa, creando un’attrazione gravitazionale verso l’interno. L’universo smetterebbe di espandersi e comincerebbe a collassare su se stesso, in un processo noto come “Big Crunch“. Ma tutto ciò è molto speculativo e difficile da testare.
Forse Lambda non è costante perché non esiste. Le galassie DESI potrebbero sembrare meno sparse non a causa del fallimento dell’energia oscura, ma a causa del fallimento della relatività generale stessa, la teoria della gravità di Einstein. Alcuni teorici sostengono che potremmo non avere bisogno dell’energia oscura se sostituissimo la relatività generale con una teoria della gravità quantistica o con un’altra teoria della gravità più ampia, come la teoria delle stringhe. Tuttavia, non ci sono ancora risultati concreti che dimostrino questa possibilità.
O, come Natarajan suggerisce, potrebbe esserci un’interazione complessa tra energia oscura e materia oscura. Una nuova teoria afferma che le due forze oscure si bilanciano a vicenda. Se c’è meno materia oscura, allora c’è anche meno energia oscura. Ma se c’è meno materia oscura in questi giorni, non ne abbiamo ancora osservato un calo significativo.
Per ora, Steinhardt, che è stato tra i primi a proporre Lambda-CDM, sta semplicemente guardando i risultati DESI e dice che il lavoro è in una fase preliminare. “Ci sono prove a sostegno, ma non sono schiaccianti“, dice. “Ci sono delle sfide da affrontare.”
Steinhardt si dice pronto a immaginare un universo in cui l’energia oscura non è una costante cosmologica, ma piuttosto una quintessenza mutante che potrebbe, col tempo, iniziare a ridursi o addirittura invertire la sua direzione. Tuttavia, avverte che è troppo presto per dire che qualcosa stia davvero cambiando. Per ora, potrebbe trattarsi di una fluttuazione casuale o di un errore nei dati. “Ci sono molte ragioni per essere scettici“, dice.
Nel frattempo, il team DESI sta perfezionando le mappe dell’universo. “Quando guardiamo i dati, vediamo che la densità delle galassie sembra diminuire mentre l’universo si espande“, afferma Lamman, membro della collaborazione DESI. “È davvero una questione di definizione e di quanto ci sentiamo sicuri dei nostri risultati.”
Alla fine, potrebbe succedere che l’energia oscura sia effettivamente una costante. Se sì, ci sarà bisogno di nuove teorie per spiegare cosa sta succedendo con i dati DESI. Ma se invece l’energia oscura si rivelasse variabile, aprirebbe una nuova frontiera per la cosmologia, riscrivendo le leggi fondamentali dell’universo.
Per ora, gli scienziati restano cauti, sapendo che qualsiasi affermazione radicale richiede prove ancora più solide. Il mistero dell’energia oscura continua a sfidare la nostra comprensione del cosmo, e solo il tempo dirà se ci attende una rivoluzione scientifica.
