Un’enorme quantità di misteriosa energia oscura è necessaria per spiegare fenomeni cosmologici, come l’espansione accelerata dell’Universo, con la teoria di Einstein. Ma cosa accadrebbe se l’energia oscura fosse solo un’illusione e la stessa relatività generale dovesse essere modificata?
Un nuovo studio della SISSA, pubblicato su Physical Review Letters, offre un nuovo approccio per rispondere a questa domanda. Grazie ad un enorme sforzo computazionale e matematico, gli scienziati hanno prodotto la prima simulazione in assoluto della fusione di stelle binarie di neutroni in teorie al di là della relatività generale che riproducono un comportamento simile all’energia oscura su scala cosmologica. Ciò consente il confronto tra la teoria di Einstein e le sue versioni modificate e, con dati sufficientemente accurati, può risolvere il mistero dell’energia oscura.
Per circa 100 anni, la relatività generale ha avuto molto successo nel descrivere la gravità su una varietà di regimi, superando tutti i test sperimentali sulla Terra e sul sistema solare. Tuttavia, per spiegare le osservazioni cosmologiche come l’espansione accelerata osservata dell’Universo, dobbiamo introdurre componenti oscure, come la materia oscura e l’energia oscura, che rimangono ancora un mistero.
Fusione simulata di una binaria di una stella di neutroni. Credito: Miguel Bezares – gruppo GRAMS SISSA
Enrico Barausse, astrofisico alla SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) e ricercatore principale del finanziamento ERC GRAMS (GRAvity from Astrophysical to Microscopic Scales) si chiede se l’energia oscura sia reale o, invece, possa essere interpretata come un errore della nostra comprensione di gravità. “L’esistenza dell’energia oscura potrebbe essere solo un’illusione“, dice, “l’espansione accelerata dell’Universo potrebbe essere causata da alcune modifiche ancora sconosciute della relatività generale, una sorta di ‘gravità oscura’“.
La fusione delle stelle di neutroni offre una situazione unica per testare questa ipotesi perché la gravità intorno a loro è spinta all’estremo. “Le stelle di neutroni sono le stelle più dense esistenti, in genere con un raggio di soli 10 chilometri, ma con una massa compresa tra una o due volte la massa del nostro Sole“, spiega lo scienziato. “Questo rende estremi la gravità e lo spazio-tempo che li circonda, consentendo un’abbondante produzione di onde gravitazionali quando due di esse si scontrano. Possiamo usare i dati acquisiti durante tali eventi per studiare il funzionamento della gravità e testare la teoria di Einstein in una nuova finestra”.
Fusione simulata di una binaria di una stella di neutroni. Credito: Miguel Bezares – gruppo GRAMS SISSA
In questo studio, pubblicato su Physical Review Letters, gli scienziati della SISSA, in collaborazione con i fisici dell’Universitat de les Illes Balears di Palma di Maiorca, hanno prodotto la prima simulazione della fusione di stelle binarie di neutroni in teorie di gravità modificata rilevanti per la cosmologia: “Questo tipo di simulazioni è estremamente impegnativo”, chiarisce Miguel Bezares, primo autore dell’articolo, “a causa della natura altamente non lineare del problema. Richiede un enorme sforzo computazionale – mesi di utilizzo nei supercomputer – reso possibile anche dall’accordo tra la SISSA e il consorzio CINECA e dalle nuove formulazioni matematiche che abbiamo sviluppato. Questi hanno rappresentato i principali ostacoli per molti anni fino alla nostra prima simulazione”.
Grazie a queste simulazioni, i ricercatori sono finalmente in grado di confrontare la relatività generale e la gravità modificata. “Sorprendentemente, abbiamo scoperto che l’ipotesi della ‘gravità oscura’ è altrettanto valida della relatività generale nello spiegare i dati acquisiti dagli interferometri LIGO e Virgo durante le passate collisioni di stelle di neutroni. In effetti, le differenze tra le due teorie in questi sistemi sono piuttosto sottili, ma possono essere rilevabili dagli interferometri gravitazionali di nuova generazione, come il telescopio Einstein in Europa e il Cosmic Explorer negli Stati Uniti. Questo apre l’entusiasmante possibilità di utilizzare le onde gravitazionali per discriminare tra energia oscura e ‘gravità oscura’,” conclude Barausse.
Riferimento: “No Evidence of Kinetic Screening in Simulations of Merging Binary Neutron Stars beyond General Relativity” di Miguel Bezares, Ricard Aguilera-Miret, Lotte ter Haar, Marco Crisostomi, Carlos Palenzuela ed Enrico Barausse, 1 marzo 2022, Physical Review Letters .
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.091103
