Tensione di Hubble: siamo al centro di un enorme vuoto?

La recente “tensione di Hubble” in cosmologia, caratterizzata da misurazioni contrastanti del tasso di espansione, solleva interrogativi sul modello cosmologico standard. Una nuova teoria postula che un vuoto gigantesco e sottodenso potrebbe spiegare queste discrepanze, sfidando le visioni tradizionali della distribuzione della materia nell’universo e suggerendo una potenziale revisione della teoria gravitazionale di Einstein

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Tensione di Hubble: siamo al centro di un enorme vuoto?
Tensione di Hubble: siamo al centro di un enorme vuoto?

I cosmologi propongono un gigantesco vuoto nello spazio come soluzione alla “tensione di Hubble”, sfidando i modelli convenzionali e suggerendo una revisione della teoria della gravità di Einstein.

Uno dei più grandi misteri della cosmologia è la velocità con cui l’universo si sta espandendo che può essere calcolata utilizzando il modello standard della cosmologia, noto anche come ΛCDM. Questo modello si basa su osservazioni dettagliate della luce residua del Big Bang, il cosiddetto fondo cosmico a microonde.

L’espansione dell’universo fa sì che le galassie si allontanino le une dalle altre. Più sono lontane da noi, più velocemente si muovono. La relazione tra la velocità e la distanza di una galassia è governata dalla “costante di Hubble”, che è di circa 70 km al secondo per Megaparsec (un’unità di lunghezza in astronomia). Ciò significa che una galassia guadagna circa 50.000 miglia orarie per ogni milione di anni luce che si allontana da noi.

Sfortunatamente per l’affidabilità del modello standard, questo valore è stato recentemente messo in discussione, portando a quella che gli scienziati chiamano la “tensione di Hubble”. Quando misuriamo il tasso di espansione utilizzando galassie e supernove vicine, questo risulta più grande del 10% rispetto a quando lo calcoliamo in base alla CMB.

In un nuovo articolo viene presentata una possibile spiegazione: che viviamo in un enorme vuoto nello spazio (un’area con una densità inferiore alla media). Nell’articolo si mostra che ciò potrebbe gonfiare le misurazioni locali attraverso deflussi di materia dal vuoto. I deflussi si verificherebbero quando regioni più dense che circondano un vuoto lo separano: eserciterebbero un’attrazione gravitazionale maggiore rispetto alla materia a densità inferiore all’interno 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 densità di circa il 20% inferiore alla media dell’universo nel suo insieme, quindi non completamente vuoto.

Un vuoto così ampio e profondo è inaspettato nel modello standard – e quindi controverso. La CMB fornisce un’istantanea della struttura dell’universo 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 gravità

I ricercatori hanno testato ulteriormente questa idea confrontando molte diverse osservazioni cosmologiche, assumendo che viviamo in un grande vuoto cresciuto da una piccola fluttuazione di densità in tempi remoti.

Per fare ciò, hanno sviluppato un modello senza comprendere ΛCDM ma utilizzando una teoria alternativa chiamata Dinamica Newtoniana Modificata (MOND).

La MOND è stata originariamente proposta per spiegare le anomalie nella velocità di rotazione delle galassie, che è ciò che ha portato a ipotizzare l’esistenza di una sostanza invisibile chiamata “materia oscura”. MOND suggerisce invece che le anomalie possano essere spiegate dal fatto che la legge di gravità di Newton viene meno quando l’attrazione gravitazionale è molto debole, come nel caso delle regioni esterne delle galassie.

La storia complessiva dell’espansione cosmica nella MOND sarebbe simile al modello standard, ma la struttura (come gli ammassi di galassie) crescerebbe più velocemente nella MOND. Il modello proposto dagli autori dell’articolo cattura come potrebbe apparire l’universo locale in un universo basato su MOND e hanno scoperto che ciò consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione odierno di fluttuare a seconda della nostra posizione.

Mappa termica delle fluttuazioni di temperatura nel fondo cosmico a microonde (CMB)

Fluttuazioni di temperatura della CMB : un’immagine dettagliata a tutto cielo dell’universo infantile creata da nove anni di dati WMAP rivela fluttuazioni di temperatura di 13,77 miliardi di anni (mostrate come differenze di colore). Credito: Team scientifico NASA/WMAP

Recenti osservazioni delle galassie hanno consentito un nuovo test cruciale del modello proposto basato sulla velocità prevista in diverse località. Questo può essere fatto misurando qualcosa chiamato flusso di massa, che è la velocità media della materia in una data sfera, densa o meno. Questa varia con il raggio della sfera, con recenti osservazioni che mostrano che continua fino a un miliardo di anni luce.

È interessante notare che il flusso di galassie su questa scala ha una velocità 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 probabilità che ciò sia coerente con il modello standard è inferiore a una su un milione.

Ciò ci ha spinto a vedere cosa prevedeva lo studio per il flusso di massa portando a scoprire che produce una corrispondenza abbastanza buona con le osservazioni. Ciò richiede che siamo abbastanza vicini al centro del vuoto, e che il vuoto sia più vuoto al suo centro.

Caso chiuso?

I nostri risultati arrivano in un momento in cui le soluzioni popolari alla tensione di Hubble sono in difficoltà. Alcuni credono che abbiamo solo bisogno di misurazioni più precise. Altri pensano che possa essere risolta assumendo che l’elevato tasso di espansione che misuriamo localmente sia effettivamente quello corretto. Ma ciò richiede una leggera modifica alla storia dell’espansione nell’universo primordiale, in modo che la CMB sembri ancora corretta.

Sfortunatamente, un’autorevole revisione evidenzia sette problemi con questo approccio. Se l’universo si fosse espanso del 10% più velocemente nel corso della stragrande maggioranza della storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% più giovane, un dato in contrato con l’età delle stelle più antiche.

L’esistenza di un vuoto locale profondo ed esteso nel conteggio dei numeri della galassia e i veloci flussi di massa osservati suggeriscono fortemente che la struttura cresce più velocemente del previsto in ΛCDM su scale da decine a centinaia di milioni di anni luce.

Ammasso galattico "El Gordo" con mappa di massa

Questa è un’immagine del telescopio spaziale Hubble del più massiccio ammasso di galassie mai visto esistere quando l’universo aveva solo la metà della sua età attuale di 13,8 miliardi di anni. L’ammasso contiene diverse centinaia di galassie. Si stima che la massa totale dell’ammasso, come perfezionato nelle nuove misurazioni di Hubble, pesi fino a 3 milioni di miliardi di stelle come il nostro Sole (circa 3.000 volte più massicce della nostra galassia, la Via Lattea), sebbene la maggior parte della massa sia nascosta come materia oscura. La posizione della materia oscura è mappata nella sovrapposizione blu. Poiché la materia oscura non emette alcuna radiazione, gli astronomi di Hubble misurano invece con precisione il modo in cui la sua gravità deforma le immagini delle galassie lontane sullo sfondo, come uno specchio da luna park. Ciò ha permesso loro di elaborare una stima della massa del cluster. L’ammasso è stato soprannominato El Gordo (spagnolo per “il grasso”) nel 2012, quando le osservazioni ai raggi X e gli studi cinematici hanno suggerito per la prima volta che fosse insolitamente massiccio per l’epoca dell’universo primordiale in cui esisteva. I dati di Hubble hanno confermato che l’ammasso sta subendo una violenta fusione tra due ammassi più piccoli. Crediti: NASA, ESA e J. Jee (Università della California, Davis)

È interessante notare che sappiamo che il massiccio ammasso di galassie El Gordo (vedi immagine sopra) si è formato troppo presto nella storia cosmica e ha una massa e una velocità di collisione troppo elevate per essere compatibile con il modello standard. Questa è un’ulteriore prova del fatto che la struttura si forma troppo lentamente in questo modello.

Poiché la gravità è la forza dominante su scale così grandi, molto probabilmente avremo bisogno di estendere la teoria della gravità di Einstein, la Relatività Generale, ma solo su scale più grandi di un milione di anni luce.

Tuttavia, non disponiamo di un buon modo per misurare il comportamento della gravità su scale molto più grandi: non esistono oggetti legati gravitazionalmente così enormi. Possiamo supporre che la Relatività Generale rimanga valida e confrontarla con le osservazioni, ma è proprio questo approccio che porta alle tensioni molto gravi attualmente affrontate dal nostro miglior modello di cosmologia.

Einstein affermò che non possiamo risolvere i problemi con lo stesso modo di pensare che li ha originati. Anche se i cambiamenti richiesti non fossero drastici, per risolvere la tensione di Hubble potremmo comunque assistere alla prima prova attendibile da più di un secolo della necessità di cambiare la nostra teoria della gravità.

Adattato da un articolo originariamente pubblicato su The Conversation.

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