Misteri irrisolti dell’universo: dal Big Bang alla tensione di Hubble

"Se il quadro generale basato su un universo in espansione e un Big Bang è corretto", ha detto Carl Sagan sulla teoria scientifica più famosa dai tempi della relatività di Einstein, "dobbiamo affrontare questioni ancora più difficili. Come erano le condizioni al tempo del Big Bang? Cosa è successo prima? C'era un universo minuscolo, privo di tutta la materia, e poi la materia improvvisamente creata dal nulla? Come succede?"

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Misteri irrisolti dell'universo: dal Big Bang alla tensione di Hubble

Probabilmente non c’è modo di dire se i misteri affrontati dai cosmologi oggi siano i segni di una rivoluzione scientifica imminente o semplicemente gli ultimi rigurgiti in sospeso di un’impresa scientifica di incredibile successo. Non c’è dubbio che abbiamo fatto progressi incredibili nella comprensione del nostro universo, della sua storia e delle sue origini“. Così Dan Hooper, scienziato senior presso il Fermi National Accelerator Laboratory e professore di astronomia e astrofisica al l’Università di Chicago.

Ma è anche innegabile che siamo profondamente perplessi, soprattutto quando si tratta della prima frazione di secondo che seguì il Big Bang“, aggiunge. “Non ho dubbi che questi primi momenti nascondano segreti incredibili, ma il nostro universo li custodisce gelosamente. Sta a noi svelarli, trasformandoli da mistero a scoperta“.

Quando confrontiamo i risultati di diversi tipi di misurazioni – il tasso di espansione del nostro universo, i modelli di temperatura nel fondo cosmico a microonde, l’abbondanza dei vari elementi chimici e la distribuzione delle galassie e di altre strutture su larga scala – troviamo un accordo sbalorditivo“, osserva Hooper. “Ciascuna di queste linee di prova supporta la conclusione che il nostro universo si sia espanso ed evoluto proprio nel modo previsto dalla teoria del Big Bang. Da questa prospettiva, il nostro universo sembra essere notevolmente comprensibile“.

Se il quadro generale basato su un universo in espansione e un Big Bang è corretto“, ha detto Carl Sagan sulla teoria scientifica più famosa dai tempi della relatività di Einstein, decenni prima che Hooper scrivesse i suoi pensieri, “dobbiamo affrontare questioni ancora più difficili. Come erano le condizioni al tempo del Big Bang? Cosa è successo prima? C’era un universo minuscolo, privo di tutta la materia, e poi la materia improvvisamente creata dal nulla? Come succede?

I quattro enigmi fondamentali

Hooper sostiene nel suo nuovo libro “At the Edge of Time: Exploring the Mysteries of our Universe’s First Seconds” che ci sono quattro grandi enigmi fondamentali che lasciano perplessi i cosmologi in questo momento.



I più grandi di questi riguardano la materia oscura e l’energia oscura, che non sono mai stati osservate direttamente ma si pensa che costituiscano il 95% di tutta la materia e l’energia nell’universo.

Secondo Hooper, la nostra conoscenza della materia oscura è simile alla nostra conoscenza dell’aria a metà dell’800: “sapevamo che era lì ma non sapevamo di cosa fosse fatta. Allo stesso modo, gli astronomi possono dedurre l’esistenza della materia oscura in base alla sua influenza gravitazionale sugli oggetti che possiamo vedere. Ma la materia oscura non interagisce con la luce – da qui la definizione di oscura” – e ancora non sappiamo cosa sia.

L’energia oscura“, spiega Hooper, “è ancora più misteriosa ma potrebbe aiutare a spiegare uno dei più grandi misteri della cosmologia moderna: l’espansione accelerata dell’universo“.
I fisici hanno scoperto che negli ultimi 7 miliardi di anni circa – il punto a metà della vita del cosmo – l’espansione galattica ha subito un’accelerazione.

Quello che sappiamo per certo è che il nostro universo si sta espandendo più velocemente oggi di quanto non facesse in passato. E questo è qualcosa che non possiamo spiegare usando la Teoria della Relatività di Einstein se l’universo fosse pieno solo di cose come la materia ordinaria o la luce“, ha detto Hooper riguardo al fenomeno che risulterà tra un eone da ora in un universo che potrebbe essere per il 99% di energia oscura, con galassie che si allontanano l’una dall’altra a velocità inimmaginabili.
Per fare in modo che un universo o un pezzo di spazio cresca più velocemente col passare del tempo, hai davvero bisogno di qualcos’altro, una forma di energia che occupi lo spazio e non si diluisca con l’espansione dello spazio”.

Scoprire che l’universo sta andando più veloce nel tempo è altrettanto sorprendente quanto lo sarebbe lanciare una palla da baseball e guardarla partire razzo e accelerare lontano dalla Terra“, ha detto Hooper. “Ciò richiederebbe qualcosa in più della semplice spinta del braccio per inviare quella palla verso l’alto. E nel caso del nostro universo richiede qualcosa in più, vale a dire l’energia oscura, qualunque essa sia, per far crescere il nostro universo più velocemente“.

Hooper è in buona compagnia. “L’energia oscura è incredibilmente strana, ma in realtà ha senso per me che sia passata inosservata“, ha detto il fisico vincitore del Premio Nobel Adam Riess, in un’intervista con The AtlanticNon ho assolutamente idea di cosa sia l’energia oscura. L’energia oscura sembra abbastanza forte da spingere l’intero universo, ma la sua fonte è sconosciuta, la sua posizione è sconosciuta e la sua fisica è altamente speculativa“.

Le risposte si trovano nelle primissime frazioni di secondo dopo il Big Bang

Quello che mi intriga davvero è che tutto sembra indicarci i primi momenti che seguirono il Big Bang“, dice Hooper, che crede che la risposta a questi e ad altri misteri – inclusa la mancanza di antimateria nell’universo – sia nelle primissime frazioni di secondo dopo il Big Bang.

In questo senso, la nostra incapacità di rilevare particelle di materia oscura, così come il semplice fatto che gli atomi esistono nel nostro mondo oggi, suggerisce che i primi momenti della storia del nostro universo potrebbero aver incluso eventi, interazioni o forme di materia ed energia di cui ancora non sappiamo nulla. Anche l’inflazione cosmica ha avuto luogo durante questi primi momenti, sollevando molte più domande di quante risposte abbiamo attualmente. Questi sono i più grandi misteri del nostro universo”.

“Il Big Bang non è accaduto una sola volta”

Ci sono cose che vediamo del nostro universo che possiamo solo spiegare – almeno per il momento – se postuliamo che c’è stata un’era molto precocemente nella storia del nostro universo in cui lo spazio si è espanso in modo drammatico in un gigantesco, improvviso scoppio“, Ha detto Hooper a proposito dell’era della cosiddetta inflazione cosmica, quando l’universo si è espanso molto più velocemente della velocità della luce, che è durata poco più di un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo.

Questi sono numeri più grandi di quanto tu possa mai immaginare, ma puoi semplicemente pensare all’universo che cresce quasi istantaneamente in un volume vasto da un piccolo spazio minuscolo. Se è vero, e molti cosmologi pensano che sia molto probabile che sia vero, allora il Big Bang non è accaduto solo una volta”.

Un numero infinito di universi, ciascuno circondato da un orizzonte cosmico impenetrabile

Questa espansione dello spazio, guidata dal mistero irrisolto dell’energia oscura, osserva Hooper in The Edge of Time, lo divide in un numero di regioni causalmente disconnesse, in cui ognuna è un universo a sé stante circondato da un orizzonte cosmico impenetrabile, le cui dimensioni sono determinate dalla velocità con cui lo spazio si espande.

L’infinito è tale che con una quantità infinita di spazio, ci sono un numero infinito di universi – raccolte di atomi e altre particelle situate in luoghi specifici in momenti specifici orientati quasi esattamente nello stesso modo in cui lo sono nel nostro mondo.

All’interno di uno spazio infinito, suggerisce Hooper, ci sono inevitabilmente un numero infinito di universi che sono indistinguibili dal nostro. Eppure è probabile che alcune delle regioni all’interno del multiverso siano mondi alieni con forze sconosciute e nuove forme di materia, insieme a più o meno di tre dimensioni di spazio, mondi completamente diversi da qualsiasi cosa possiamo immaginare.

Questi mondi contengono una stella che è quasi identica al Sole, che orbita attorno a un pianeta che è quasi identico alla Terra, che contiene persone che sono quasi identiche a te e me“, scrive. “Se lo spazio come lo conosciamo si estende per sempre, questa conclusione è inevitabile. Tutte le cose e tutti gli eventi che sono possibili, non importa quanto improbabile, esisteranno e si verificheranno“.

Bisogna pensare al multiverso, dice Neil deGrasse Tyson, “come più navi in ​​mare abbastanza lontane l’una dall’altra in modo che i loro orizzonti circolari non si intersechino pur condividendo tutte lo stesso specchio d’acqua“.

Mi ritrovo a chiedermi se questi misteri cosmici potrebbero essere i sintomi di qualcosa di più importante o espansivo di alcune questioni in sospeso“, dice Hooper. “Forse questi enigmi non sono così estranei come potrebbero sembrare, ma invece ci indicano ciascuno un’immagine molto diversa dei primi momenti del nostro universo. Quando si tratta della nostra comprensione dell’origine del nostro universo, a volte mi ritrovo a chiedermi: è in arrivo una rivoluzione?

N.B.: A proposito della tensione di Hubble, la polemica che sta coinvolgendo vari gruppi di astrofisici che si occupano di determinare con precisione il valore della costante di Hubble, ovvero la velocità alla quale l’universo si sta espandendo, abbiamo ricevuto nuove informazioni che potrebbero decisamente far perdere di importanza alla questione.

In sostanza, la “crisi cosmologica” è causata dal fatto che la determinazione della costante di Hubble (H0) restituisce risultati totalmente diversi. E come è possibile se questa è una costante?

Nessuno sa perché il CMB dia una costante di 67 km/s x mpc mentre invece le supernove vicine danno un valore molto più alto, 73 km/s x Mpc.

Questo è un problema molto grosso, gigantesco! Le varie interpretazioni date attribuiscono il problema a diversi fattori. Alcuni hanno ipotizzato che l’espansione dell’universo stia accelerando, altri hanno ipotizzato un universo molto più giovane del previsto di circa 11 miliardi di anni, altri ancora, invece, ritengono che ci sia qualche sorta di nuova fisica dietro.

E se dietro tutto questo ci fosse semplicemente un errore umano?

Un errore? Assolutamente si! Come ha notato il ricercatore e studioso Francesco Radica, se gli addetti ai lavori costruiscono cose su errori precedenti fatti da altri, non si fa che sbagliare e stravolgere il campo della cosmologia.

Il professore Subir Sarkar, dell’università di Oxford, ha condotto un lavoro che è tanto dettagliato quanto affascinante. Secondo il team di Sarkar, l’errore starebbe nei cataloghi stellari stessi dove sono presenti i dati riguardo ai redshift che sarebbero, appunto, sbagliati!

Ma come è possibile sbagliare la misurazione di un redshift? Beh, non ci vuole molto. Se osserviamo la radiazione cosmica a microonde in due direzioni diametralmente opposte, in realtà, non vediamo due redshift, che sarebbero appunto indice di espansione, ma vedremo un redshift ed un blueshift.

Sostanzialmente vediamo che l’universo, da una parte, si sta allontanando da noi, mentre dall’altra parte si sta avvicinando. Il motivo? Il moto del Sistema Solare rispetto alla galassia. Ciò ci impone di fare delle correzioni per stabilizzare il tutto e osservare il redshift puro. Ora il problema è di come vengono fatte queste correzioni.

Se le correzioni vengono fatte male ed otteniamo un errore sostanziale per la supernova, otterremo un valore totalmente sbagliato di H0. Il team di Subir Sarkar ha notato che i due cataloghi stellari, MJA E Phanton, contengono valori totalmente diversi per stelle uguali, dove il catalogo Phanteon contiene un maggior margine di errore, che di conseguenza porta inevitabilmente ad altri errori! Invece, il catalogo MJA contiene un margine di errore più contenuto e da un valore molto più prossimo al CMB, ovvero 67 km/s x mpc.

Come è possibile che la comunità scientifica non si sia accorta di una cosa così banale?

Semplice, i cataloghi non erano pubblici. Di conseguenza, nessuno poteva verificare.

L’errore è certo perché molti papers che hanno invocato un’espansione di H0 a 73 hanno misurato stelle già catalogate in precedenza e che avevano dato un redshift di 67. Non è stato neanche possibile verificare ciò in quanto i nomi delle stelle erano diversi nei vari papers… E nei cataloghi hanno anch’esse un nome diverso. Ci si può accorgere del fatto che stiamo parlando della stessa stella solo perché hanno le stesse coordinate stellari.

Il problema è quindi risolto? Ovviamente no. Non perché il team di Sarkar ha sbagliato, ma perché la notizia non si è diffusa anche se il lavoro di Sarkar e del suo team è stato pubblicato su ArxIv.

Se le affermazione di Sarkar si rivelassero corrette la crisi cosmologica non ci sarebbe e la Polemica Cosmica, come definimmo la questione in un precedente articolo, non avrebbe ragione di essere e tutto il presente articolo, compreso il libro di Hooper, dovrebbe essere riscritto.

At the Edge of Time: Exploring the Mysteries of Our Universe’s First Seconds” (formato Kindle) e Dan Hooper WTTV Interview

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