Universo: nuove teorie per descriverlo

Due fisici teorici hanno costruito un nuovo modello teorico per la descrizione dell'universo, che esclude la presenza della materia oscura

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Nuove teorie per la descrizione dell'universo

Per decenni, alcuni teorici rivoluzionari hanno portato avanti una guerra contro uno dei concetti cardine della cosmologia – l’idea che l’universo sia costituito primariamente da una forma invisibile e intangibile di materia.

La presenza di questa materia oscura, che sembra essere in rapporto 5 a 1 con quella di cui siamo fatti, è evidenziata da alcune osservazioni: per citarne alcune, la stretta coesione di galassie e di aggregati di galassie, il modo in cui la luce delle galassie più lontane viene deflessa nel suo percorso verso i telescopi terrestri e la struttura a chiazze dell’universo primordiale.

Gli aspiranti rivoluzionari sono alla ricerca di una ricetta cosmica alternativa, che consiste nel sostituire la materia oscura con una forza di gravità leggermente modificata. Ma, finora, ogni tentativo di trasformare questa loro idea in un linguaggio matematico preciso è stato ostacolato da osservazioni puntuali.

Alcune formulazioni concordano con la configurazione delle galassie, altre concordano con la deflessione dei raggi di luce, ma nessuna formulazione è riuscita a superare la prova più palese dell’evidenza della materia oscura: la precisa mappatura della luce primordiale, nota come radiazione cosmica di fondo (o fondo cosmico di microonde, secondo la terminologia anglosassone: Cosmic Microwave Background). Secondo Ruth Durrer, un cosmologo dell’Università di Ginevra, qualunque nuova teoria deve comunque essere in linea con questi dati.

Lo scorso 30 giugno, due fisici teorici, Costantinos Skordis e Tom Zlosnik (Institute of Physics of the Czech Academy of Science, Prague), hanno pubblicato un lavoro, ancora in fase di valutazione, con il quale propongono una teoria gravitazionale alternativa. I due scienziati utilizzano una versione ottimizzata della teoria gravitazionale di Einstein per riprodurre una mappa dell’universo primordiale; un’impresa che persino i rivoluzionari pensavano fosse impossibile.

Relativamente allo studio condotto dai due scienziati, lo stesso Durrer, nonostante si tratti di una ricerca veramente rivoluzionaria, è ottimista sui risultati che essa potrà raggiungere.



Anche se la maggior parte dei cosmologi ancora è legata al paradigma della materia oscura, la nuova teoria viene considerata abbastanza interessante, soprattutto se riuscirà a concordare con altre osservazioni cosmologiche.

Le sfide sostenute dalle teorie gravitazionali alternative, note come Dinamica Newtoniana Modificata (MOND – MOdified Newtonian Dynamics), sono state pubblicate anche in un altro articolo, apparso il giorno successivo rispetto al lavoro di Skordis e Zlosnik. La principale di queste sfide si riferisce a una profonda rivisitazione del ruolo che gioca la materia oscura nel tenere insieme l’universo, così come descritto dal modello cosmologico noto come Materia oscura fredda lambda (LCDM – Lambda Cold Dark Matter).

In poche parole, questo modello LCDM asserisce che noi non saremmo qui senza la materia oscura. L’universo primordiale era così fluido che la sola attrazione gravitazionale della materia ordinaria non sarebbe stata in grado di far aggregare le particelle in galassie, stelle e pianeti. Ecco che quindi intervengono le particelle di materia oscura. Il modello LCDM fa uso della massa collettiva della materia oscura per trasformare la materia ordinaria nelle strutture cosmiche oggetto di studio degli astronomi.

E quindi l’LCDM è diventato il modello cosmologico standard anche perché esso si allinea in modo abbastanza preciso alla Radiazione Cosmica di Fondo. Questa mappa dell’universo primordiale mostra dei punti impercettibilmente spessi e sottili che si increspano nel cosmo. Più recentemente, alcuni ricercatori sono riusciti a misurare, con una più elevata precisione, la polarizzazione della luce di radiazione cosmica di fondo.

Qualunque teoria cosmologica pretenda di riscuotere successo, dovrà essere in grado di descrivere, in maniera comprensibile, la storia del cosmo, riproducendo queste tre caratteristiche: la temperatura della Radiazione Cosmica di Fondo, la polarizzazione della Radiazione Cosmica di Fondo, e l’attuale distribuzione delle galassie e degli aggregati di galassie.

Kris Pardo, un astrofisico del Jet Propulsion Laboratory della NASA, e David Spergel, hanno evidenziato quanto sia difficile, per qualunque teoria gravitazionale alternativa, competere con i principi del modello LCDM. Quando zone con maggiore densità di materia oscura hanno attirato a sé la materia, determinando la creazione di galassie e stelle, si è verificata una considerevole, anche se non assoluta, eliminazione delle increspature che inizialmente si muovevano all’interno della materia stessa.

Paragonando la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo con l’attuale configurazione della materia, i cosmologi possono misurare, con elevata precisione, che persistono ancora oggi delle increspature residue, 100 volte più piccole delle ondulazioni osservate nella radiazione cosmica di fondo.

David Spergel, direttore del Center for Computational Astrophysics presso il Flatiron Institute, afferma che rigenerare queste, e altre condizioni, senza i principi essenziali del modello LCDM, diventa una sfida teorica di grande portata. Finora tutte le teorie gravitazionali alternative non sono state smentite, ma non si può obiettare che una qualunque di esse debba necessariamente soddisfare a delle condizioni precise.

Costantinos Skordis e Tom Zlosnik, del Central European Institute for Cosmology and Fundamental Physics, sono convinti di aver superato i vincoli imposti dalle condizioni sulle nuove teorie, sebbene lo abbiano fatto in un modo che potrebbe sorprendere sia i fautori che gli scettici della Dinamica Newtoniana Modificata.

In pratica, i due fisici hanno costruito una teoria gravitazionale che include la presenza di un qualcosa che, su scale cosmiche, si comporta come una forma invisibile di materia, superando di fatto la linea divisoria tra il paradigma della materia oscura e quello della Dinamica Newtoniana Modificata.

La loro teoria, denominata RelMOND, aggiunge alle equazioni della relatività generale un campo onnipresente, il cui comportamento varia a seconda delle situazioni. Su scale più grandi, dove si evidenzia l’allungamento dell’universo in relazione alla sua espansione, questo campo si comporta come una materia invisibile. In questa situazione, che Zlosnik definisce polvere oscura, il campo avrebbe potuto plasmare l’universo visibile allo stesso modo di come avrebbe fatto la materia oscura.

Il modello ideato dai due fisici fornisce un valore della temperatura della radiazione cosmica di fondo abbastanza compatibile con quello del modello LCDM; inoltre Zlosnik è convinto che il loro modello possa essere in linea con i valori dello spettro di polarizzazione e con la distribuzione della materia, anche se ancora i risultati su questi aspetti non sono stati pubblicati.

Secondo Zlosnik, il modello RelMOND fornisce una rappresentazione dell’interno universo molto vicina a quella descritta dal modello LCDM.

Ma se ci si addentra all’interno di una galassia, dove il tessuto spaziale è quasi immobile, il comportamento del campo è molto vicino a quello descritto dalla dinamica newtoniana modificata (MOND): il campo si intreccia con il campo gravitazionale standard, rinforzandolo quanto basta per tenere unita una galassia, senza la necessità di materia aggiuntiva (i ricercatori non hanno delle certezze sul comportamento del campo per piani aggregati di galassie, una delle criticità delle teorie MOND, e ritengono che si possa comunque utilizzare questa scala intermedia per cercare quegli indizi che possono dare vita a nuove teorie gravitazionali).

Nonostante i risultati matematici raggiunti dai due fisici, a tutt’oggi l’ipotesi della materia oscura rimane la teoria più semplice. Infatti, la costruzione del nuovo campo, secondo l’approccio di Skordis e Zlosnik, necessita di un’architettura matematica più complessa rispetto a quella impiegata dal modello LCDM per descrivere la materia oscura.

Fonte: quantamagazine.org

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