Le prime osservazioni dell’universo effettuate dal telescopio spaziale James Webb (JWST) non possono essere spiegate dagli attuali modelli cosmologici. Questi modelli, basati sul Big Bang stimano che l’universo abbia un’età di 13,8 miliardi di anni, sulla base del concetto di universo in espansione.
Una nuova ricerca pubblicata su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society propone un modello che determina che l’età dell’universo sia di 26,7 miliardi di anni, cosa che, se confermata, spiegherebbe le osservazioni del JWST sulla “galassia primordiale impossibile”, una galassia risalente all’alba cosmica – da 500 a 800 milioni di anni dopo il big bang – che presenta dischi e rigonfiamenti simili a quelli che le galassie presentano dopo un lungo periodo di evoluzione. E le galassie di dimensioni più piccole sono apparentemente più massicce di quelle più grandi, il che è esattamente l’opposto di quanto ci si aspetta.
Frequenza e distanza
La stima dell’età dell’universo deriva dal tasso di espansione ottenuta misurando lo spostamento verso il rosso delle linee spettrali nella luce emessa da galassie distanti. Una precedente spiegazione dello spostamento verso il rosso si basava sull’ipotesi che la luce perdesse energia mentre percorreva distanze cosmiche. Questa spiegazione della “luce stanca” è stata respinta poiché non poteva spiegare altre osservazioni.
Lo spostamento verso il rosso della luce è simile all’effetto Doppler sul suono: i rumori sembrano avere una frequenza (altezza) più alta quando si avvicinano e più bassa quando si allontanano. Lo spostamento verso il rosso, una frequenza della luce inferiore, indica quando un oggetto si sta allontanando da noi; maggiore è la distanza della galassia, maggiore è la velocità di recessione e lo spostamento verso il rosso.
Insomma, secondo questo modello le galassie distanti si allontanano da noi a velocità sempre maggiori in proporzione alla loro distanza, indicando che l’universo si sta espandendo. Il modello dell’universo in espansione divenne il preferito dalla maggior parte degli astronomi dopo che due astronomi che lavoravano per i Bell Labs, Arno Penzias e Robert Wilson, scoprirono accidentalmente la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) nel 1964, che il modello di stato stazionario non poteva spiegare in modo soddisfacente.
Il tasso di espansione determina essenzialmente l’età dell’universo. Fino al lancio del telescopio spaziale Hubble negli anni ’90, l’incertezza sul tasso di espansione stimava che l’età dell’universo variasse da sette a 20 miliardi di anni. Altre osservazioni hanno portato al valore attualmente accettato di 13,8 miliardi di anni, ponendo il modello del big bang sul piedistallo della cosmologia.
Limitazioni dei modelli precedenti
Una ricerca pubblicata lo scorso anno proponeva di risolvere l’impossibile problema delle galassie primordiali utilizzando il modello della luce stanca. Tuttavia, la luce stanca non può spiegare in modo soddisfacente altre osservazioni cosmologiche come gli spostamenti verso il rosso delle supernovae e l’uniformità dello sfondo cosmico a microonde.
L’autore della ricerca di cui stiamo parlando, il dr Rajendra P Gupta del dipartimento di fisica dell’università del Canada, ha tentato di combinare il modello standard basato sul big bang con il modello della luce stanca per vedere come si adattava ai dati delle supernove e ai dati del JWST, ma la nuova modellazione non si adattava bene a questi ultimi. Tuttavia, i risultati indicavano un’età dell’universo di 19,3 miliardi di anni.
Successivamente, ho provato a creare un modello ibrido comprendente la luce stanca e un modello cosmologico che avevo sviluppato sulla base delle costanti di accoppiamento in evoluzione proposte dal fisico britannico Paul Dirac nel 1937. Il risultato corrispondeva bene ad entrambi i dati, ma quasi raddoppiava l’età dell’universo.
Il nuovo modello allunga il tempo di formazione delle galassie da 10 a 20 volte rispetto al modello standard, dando tempo sufficiente per la formazione delle prime galassie “impossibili” ben evolute osservate dal JWST.
Come ogni modello, dovrà fornire una spiegazione soddisfacente per tutte quelle osservazioni che sono soddisfatte dal modello cosmologico standard.
Modelli di miscelazione
L’approccio di mescolare due modelli per spiegare nuove osservazioni non è nuovo. Isaac Newton riteneva che la luce si propagasse come particelle nella sua teoria della luce, che prevalse fino a quando non fu sostituita dalla teoria ondulatoria della luce nel 19° secolo per spiegare i modelli di diffrazione osservati con la luce monocromatica.
Albert Einstein resuscitò la natura particellare della luce per spiegare l’effetto fotoelettrico: la luce ha due caratteristiche: simile a una particella in alcune osservazioni e ondulatoria in altre. Da allora è ormai accertato che tutte le particelle hanno queste doppie caratteristiche.
Un altro modo per misurare l’età dell’universo è stimare l’età delle stelle negli ammassi globulari nella nostra galassia, la Via Lattea. Gli ammassi globulari comprendono fino a un milione di stelle, che sembrano essersi formate tutte contemporaneamente nell’universo primordiale.
Supponendo che tutte le galassie e gli ammassi abbiano iniziato a formarsi simultaneamente, l’età della stella più vecchia dell’ammasso dovrebbe fornire l’età dell’universo (meno il tempo in cui le galassie hanno iniziato a formarsi). Per alcune stelle come Matusalemme, ritenuta la più antica della galassia, la modellazione astrofisica fornisce un’età maggiore dell’età dell’universo determinata utilizzando il modello standard, il che dovrebbe essere impossibile.
Einstein credeva che l’universo fosse lo stesso osservato da qualsiasi punto e in qualsiasi momento: omogeneo, isotropo e senza tempo. Per spiegare lo spostamento verso il rosso osservato delle galassie distanti in un universo così stazionario, che sembrava aumentare in proporzione alla loro distanza (legge di Hubble), l’astronomo svizzero Fritz Zwicky propose nel 1929 la teoria della luce stanca.
Nuova informazione
Sebbene alcune osservazioni del telescopio spaziale Hubble abbiano indicato il problema della galassia primordiale impossibile, è stato solo con il lancio di JWST nel dicembre 2021 e con i dati forniti dalla metà del 2022 che questo problema è stato davvero preso in considerazione.
Per difendere il modello standard del big bang, gli astronomi hanno cercato di risolvere il problema comprimendo la linea temporale per la formazione di stelle massicce e buchi neri primordiali che accrescono massa a ritmi non fisicamente elevati.
Tuttavia, si sta sviluppando un consenso verso una nuova fisica per spiegare queste osservazioni JWST.
