Le migliori osservazioni finora effettuate non riescono a fornire una risposta univoca alla velocitร con cui l’universo si sta espandendo. Forse perchรฉ la nostra galassia รจ al centro di un enorme vuoto.
Uno dei piรน grandi misteri della cosmologia รจ la velocitร con cui lโuniverso si sta espandendo. Ciรฒ puรฒ essere previsto utilizzando il modello standard della cosmologia, noto anche come materia oscura lambda-fredda (ฮCDM). Questo modello si basa su osservazioni dettagliate della luce rimasta dal Big Bang, il cosiddetto fondo cosmico a microonde (CMB).
L’espansione dell’universo fa sรฌ che le galassie si allontanino le une dalle altre. Piรน sono lontani da noi, piรน velocemente si muovono. La relazione tra la velocitร e la distanza di una galassia รจ governata dalla “costante di Hubble”, che รจ di circa 43 miglia (70 km) al secondo per Megaparsec (un’unitร di lunghezza in astronomia). Ciรฒ significa che una galassia guadagna circa 50.000 miglia orarie per ogni milione di anni luce che si allontana da noi.
Ma sfortunatamente per il modello standard, questo valore รจ stato recentemente messo in discussione, portando a quella che gli scienziati chiamano la โ tensione di Hubble โ. Quando misuriamo il tasso di espansione utilizzando galassie e supernove vicine (stelle che esplodono), รจ piรน grande del 10% rispetto a quando lo prevediamo in base alla CMB.
In un nuovo studio gli scienziati presentano una possibile spiegazione ovvero che viviamo in un enorme vuoto nello spazio (unโarea con una densitร inferiore alla media). Il team mostra che ciรฒ potrebbe gonfiare le misurazioni locali attraverso deflussi di materia dal vuoto. I deflussi si verificherebbero quando regioni piรน dense che circondano un vuoto lo separano: eserciterebbero unโattrazione gravitazionale maggiore rispetto alla materia a densitร inferiore allโinterno del vuoto.
In questo scenario, dovremmo trovarci vicino al centro di un vuoto di circa un miliardo di anni luce di raggio e con una densitร di circa il 20% inferiore alla media dellโuniverso nel suo insieme, quindi non completamente vuoto.
Un vuoto cosรฌ ampio e profondo รจ inaspettato nel modello standard โ e quindi controverso. La CMB fornisce unโistantanea della struttura dellโuniverso infantile, suggerendo che la materia oggi dovrebbe essere distribuita in modo piuttosto uniforme. Tuttavia, il conteggio diretto del numero di galassie in diverse regioni suggerisce effettivamente che ci troviamo in un vuoto locale.
Modificare le leggi della gravitร
Il team vuole testare ulteriormente questa idea confrontando molte diverse osservazioni cosmologiche, assumendo che viviamo in un grande vuoto cresciuto da una piccola fluttuazione di densitร in tempi remoti.
Per fare ciรฒ, il modello non ha incorporato ฮCDM ma una teoria alternativa chiamata Dinamica Newtoniana Modificata (MOND) .
La MOND รจ stata originariamente proposta per spiegare le anomalie nella velocitร di rotazione delle galassie, che รจ ciรฒ che ha portato a ipotizzare l’esistenza di una sostanza invisibile chiamata “materia oscura”. MOND suggerisce invece che le anomalie possano essere spiegate dalla legge di gravitร di Newton che viene meno quando l’attrazione gravitazionale รจ molto debole, come nel caso delle regioni esterne delle galassie.
La storia complessiva dellโespansione cosmica nella MOND sarebbe simile al modello standard, ma la struttura (come gli ammassi di galassie) crescerebbe piรน velocemente nella MOND. Nel nuovo modello cattura come potrebbe apparire lโuniverso locale in un universo MOND. Ed รจ stato scoperto che ciรฒ consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione odierno di fluttuare a seconda della nostra posizione.
Recenti osservazioni delle galassie hanno consentito un nuovo test cruciale del nuovo modello basato sulla velocitร prevista in diverse localitร . Questo puรฒ essere fatto misurando qualcosa chiamato flusso di massa, che รจ la velocitร media della materia in una data sfera, densa o meno. Questo varia con il raggio della sfera, con recenti osservazioni che mostrano che continua fino a un miliardo di anni luce.
ร interessante notare che il flusso di galassie su questa scala ha una velocitร quadrupla rispetto a quella prevista nel modello standard. Sembra inoltre aumentare con la dimensione della regione considerata, contrariamente a quanto previsto dal modello standard. La probabilitร che ciรฒ sia coerente con il modello standard รจ inferiore a una su un milione.
Ciรฒ ci ha spinto a vedere cosa prevedeva il nuovo studio per il flusso di massa. Gli scienziati hanno scoperto che produce una corrispondenza abbastanza buona con le osservazioni. Ciรฒ richiede che siamo abbastanza vicini al centro del vuoto, e che il vuoto sia piรน vuoto al suo centro.
Caso chiuso?
I nuovi risultati arrivano in un momento in cui le soluzioni popolari alla tensione di Hubble sono in difficoltร . Alcuni credono che abbiamo solo bisogno di misurazioni piรน precise. Altri pensano che possa essere risolto assumendo che l’elevato tasso di espansione che misuriamo localmente sia effettivamente quello corretto. Ma ciรฒ richiede una leggera modifica alla storia dellโespansione nellโuniverso primordiale, in modo che la CMB sembri ancora corretta.
Sfortunatamente, unโautorevole revisione evidenzia sette problemi con questo approccio. Se lโuniverso si espandesse del 10% piรน velocemente nel corso della stragrande maggioranza della storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% piรน giovane, contraddicendo lโetร delle stelle piรน antiche.
Lโesistenza di un vuoto locale profondo ed esteso nel conteggio dei numeri della galassia e i rapidi flussi di massa osservati suggeriscono fortemente che la struttura cresce piรน velocemente del previsto in ฮCDM su scale da decine a centinaia di milioni di anni luce.
ร interessante notare che sappiamo che il massiccio ammasso di galassie El Gordo si รจ formato troppo presto nella storia cosmica e ha una massa e una velocitร di collisione troppo elevate per essere compatibile con il modello standard. Questa รจ unโulteriore prova del fatto che la struttura si forma troppo lentamente in questo modello.
Poichรฉ la gravitร รจ la forza dominante su scale cosรฌ grandi, molto probabilmente il team avrร bisogno di estendere la teoria della gravitร di Einstein, la Relativitร Generale, ma solo su scale piรน grandi di un milione di anni luce.
Tuttavia, non non c’รจ un buon modo per misurare il comportamento della gravitร su scale molto piรน grandi: non esistono oggetti legati gravitazionalmente cosรฌ enormi. Possiamo supporre che la Relativitร Generale rimanga valida e confrontarla con le osservazioni, ma รจ proprio questo approccio che porta alle tensioni molto gravi attualmente affrontate dal nostro miglior modello di cosmologia.
Si pensa che Einstein abbia detto che non possiamo risolvere i problemi con lo stesso modo di pensare che li ha originati. Anche se i cambiamenti richiesti non fossero drastici, potremmo comunque assistere alla prima prova attendibile da piรน di un secolo della necessitร di cambiare la nostra teoria della gravitร .
Fonte: Royal Astronomical Society