Uno strano “fluido oscuro” di massa negativa potrebbe dominare l’universo

di Jamie Farnes

È imbarazzante, ma gli astrofisici sono i primi ad ammetterlo. Il nostro miglior modello teorico può spiegare solo il 5% dell’universo. Il restante 95% è notoriamente costituito quasi interamente da materiale invisibile e sconosciuto, soprannominato energia oscura e materia oscura. Quindi, anche se ci sono miliardi di miliardi di stelle nell’universo osservabile, il paradosso è che rispetto alle dimensioni dell’universo gli oggetti solidi visibili sono estremamente rari.

L’esistenza delle due misteriose sostanze oscure può essere dedotta solo dagli effetti gravitazionali. La materia oscura può essere un materiale invisibile, ma esercita una forza gravitazionale sulla materia circostante che possiamo misurare. L’energia oscura è una forza repulsiva che fa espandere l’universo ad un ritmo accelerato. I due sono sempre stati trattati come fenomeni separati. Ma il mio studio, pubblicato su Astronomy and Astrophysics, sembra suggerire che entrambi possano far parte dello stesso strano concetto – un unico “fluido oscuro” unificato di masse negative.

Le masse negative sono una forma ipotetica di materia che avrebbe un tipo di gravità negativa – capace di respingere  tutta la materia intorno il materiale intorno. A differenza della materia di massa positiva che ci è familiare, se una massa negativa venisse spinta, essa accelererebbe verso l’origine della spinta piuttosto che allontanarsi.

Quella delle masse negative non è un’idea nuova in cosmologia. Proprio come la materia normale, le particelle a massa negativa diverrebbero allontanerebbero tra loro man mano che l’universo si espande, il che significa che la loro forza repulsiva si indebolirebbe nel tempo. Tuttavia, gli studi hanno dimostrato che la forza che guida l’espansione accelerata dell’universo è inesorabilmente costante. Questa incoerenza ha in precedenza portato i ricercatori ad abbandonare questa idea. Se esiste un liquido scuro, non dovrebbe diluirsi nel tempo.

Nel mio nuovo studio, viene proposta una modifica alla teoria della relatività generale di Einstein per consentire alle masse negative non solo di esistere, ma di essere create continuamente. La “creazione della materia” era già inclusa in una prima teoria alternativa al Big Bang, noto come modello dello stato stazionario.

L’ipotesi principale era che la materia (massa positiva) fosse continuamente creata per ricostituire il materiale man mano che l’universo si espande. Ora sappiamo da prove osservative che questo non è corretto. Tuttavia, ciò non significa che la materia di massa negativa non possa essere creata continuamente. Dimostro che questo presunto fluido scuro non si diffonde mai troppo sottile. Invece si comporta esattamente come l’energia oscura.

Ho anche sviluppato un modello computerizzato 3D di questo universo ipotetico per vedere se potesse anche spiegare la natura fisica della materia oscura. La materia oscura è stata introdotta per spiegare il fatto che le galassie si muovono molto più velocemente di quanto i nostri modelli predicono. Ciò implica che deve essere presente qualche altra materia invisibile per impedire che si allontanino.

Il mio modello mostra che la forza repulsiva del fluido oscuro può anche tenere insieme una galassia. La gravità della galassia di massa positiva attira le masse negative da tutte le direzioni e, mentre il fluido di massa negativo si avvicina alla galassia, a sua volta esercita una forza repulsiva più forte sulla galassia che gli consente di ruotare a velocità più elevate senza allontanarsi. Sembra quindi che un semplice segno meno possa risolvere uno dei problemi di più lunga durata in fisica.

L’universo è davvero così strano?

Si potrebbe sostenere che questo suona un po’ inverosimile. Ma mentre le masse negative sono bizzarre, sono considerevolmente meno strane di quanto si possa pensare. Per cominciare, questi effetti possono sembrare peculiari e non familiari a noi, dato che risiedono in una regione dominata da una massa positiva.

Che siano fisicamente reali o meno, le masse negative hanno già un ruolo teorico in un vasto numero di aree. Le bolle d’aria nell’acqua possono essere modellate come una massa negativa. Recenti ricerche di laboratorio hanno anche generato particelle che si comportano esattamente come farebbero se avessero una massa negativa.

E i fisici sono già a proprio agio con il concetto di densità energetica negativa. Secondo la meccanica quantistica, lo spazio vuoto è costituito da un campo di energia fluttuante di sfondo che può essere negativo in alcuni punti – dando luogo a onde e particelle virtuali che entrano ed escono dall’esistenza. Questo può anche creare una forza minuscola che può essere misurata in laboratorio.

Il nuovo studio potrebbe aiutare a risolvere molti problemi nella fisica moderna. La teoria delle stringhe, che è la nostra migliore speranza per unificare la fisica del mondo quantistico con la teoria cosmologica di Einstein, è attualmente considerata incompatibile con l’evidenza osservativa. Tuttavia, la teoria delle stringhe suggerisce che l’energia nello spazio vuoto debba essere negativa, il che corrobora le aspettative teoriche per un fluido oscuro di massa negativo.

Inoltre, il team alla base della scoperta rivoluzionaria di un universo in accelerazione propendeva per una cosmologia di massa negativa, ma prese la ragionevole precauzione di interpretare questi risultati controversi come “non-fisici“.

La teoria potrebbe anche risolvere il problema della misurazione dell’espansione dell’universo. Ciò è spiegato dalla legge Hubble-Lemaître, l’osservazione che galassie più distanti si stanno allontanando a un ritmo più veloce. La relazione tra la velocità e distanza è impostata dalla “costante di Hubble”, ma le sue misurazioni hanno continuato a variare. Ciò ha portato a una crisi in cosmologia. Fortunatamente, una cosmologia basata sulla massa negativa predice matematicamente che la “costante” di Hubble dovrebbe variare nel tempo. Chiaramente, ci sono prove che questa nuova e strana teoria non convenzionale merita la nostra attenzione scientifica.

Dove andare da qui

Il creatore del campo della cosmologia, Albert Einstein, ha fatto – insieme ad altri scienziati tra cui Stephen Hawking – considerare le masse negative. Infatti, nel 1918 Einstein scrisse addirittura che la sua teoria della relatività generale potrebbe dover essere modificata per includerle.

Nonostante questi sforzi, una cosmologia che consideri la massa negativa potrebbe essere sbagliata. La teoria sembra fornire risposte a così tante domande attualmente aperte che gli scienziati – giustamente – saranno piuttosto sospettosi. Tuttavia, spesso sono le idee pronte all’uso che forniscono risposte a problemi di vecchia data. Il forte accumulo di prove è ora cresciuto al punto che dobbiamo considerare questa possibilità inusuale.

Il più grande telescopio mai costruito – lo Square Kilometer Array (SKA)– misurerà la distribuzione delle galassie attraverso la storia dell’universo. Sto pensando di usare lo SKA per confrontare le sue osservazioni con le previsioni teoriche sia per una cosmologia di massa negativa che per quella standard – contribuendo alla fine a dimostrare se esistono masse negative nella nostra realtà.

Ciò che è chiaro è che questa nuova teoria genera moltissime nuove domande. Quindi, come in tutte le scoperte scientifiche, l’avventura non finisce qui. In realtà, la ricerca per comprendere la vera natura di questo universo bello, unificato e – forse polarizzato – è appena iniziata.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation e ripreso su Reccom Magazine sotto una licenza creative commons. Articolo originale.