La discrepanza tra la velocità con cui l’universo sembra espandersi e la velocità con cui ci aspettiamo che si espanda è una delle anomalie più ostinate della cosmologia.
I cosmologi basano la loro aspettativa sulla velocità di espansione, nota come costante di Hubble, sulle misurazioni della radiazione emessa poco dopo il Big Bang. Questa radiazione rivela gli ingredienti precisi del primo universo. I cosmologi inseriscono gli ingredienti nel loro modello di evoluzione cosmica ed eseguono il modello in avanti per vedere quanto velocemente lo spazio dovrebbe espandersi oggi.
Storia originale ristampata con il permesso di Quanta Magazine, una pubblicazione editoriale indipendente della Simons Foundation la cui missione è di migliorare la comprensione pubblica della scienza coprendo gli sviluppi e le tendenze della ricerca in matematica e nelle scienze fisiche e della vita.
Tuttavia, la previsione non è stata rispettata: quando i cosmologi osservano oggetti astronomici come stelle pulsanti e supernove che esplodono, vedono un universo che si espande più velocemente, con una costante di Hubble più grande.
La discrepanza, nota come tensione di Hubble, è persistita anche se tutte le misure sono diventate più precise. Alcuni astrofisici continuano a discutere se la tensione non sia altro che un errore di misurazione. Ma se la discrepanza è reale, significa che manca qualcosa nel modello cosmologico dell’universo.
Di recente, i teorici sono stati impegnati a immaginare nuovi ingredienti cosmici che, aggiunti al modello standard, aumenterebbero il tasso di espansione previsto dell’universo, facendolo corrispondere alle osservazioni.
“Scoprire le anomalie è il modo fondamentale in cui la scienza fa progressi”, ha detto Avi Loeb, un cosmologo della Harvard University e uno delle decine di ricercatori che hanno proposto soluzioni alla tensione di Hubble.
Queste sono alcune delle idee principali su ciò che potrebbe accelerare l’espansione cosmica.
Materia oscura in decadimento
Il modello standard della cosmologia comprende tutte le forme familiari di materia e radiazione e le loro interazioni. Include anche le sostanze invisibili conosciute come energia oscura e materia oscura, che insieme costituiscono circa il 96% del cosmo. Poiché si sa così poco di questi ingredienti oscuri, essi sono forse il posto più ovvio per iniziare a manomettere il modello standard. “Questo è ciò che si ha a disposizione per cambiare il tasso di espansione dell’universo”, ha detto Loeb.
Il modello standard presuppone che la materia oscura sia costituita da particelle in lento movimento che non interagiscono con la luce. Ma cosa succede se assumiamo anche che la materia oscura non sia fatta di una sola sostanza? Dal momento che esistono molti tipi diversi di particelle visibili – quark, elettroni e così via – ci potrebbero essere anche più particelle oscure.
In un articolo pubblicato la scorsa estate su Physical Review D, Loeb e due collaboratori hanno considerato una forma di materia oscura che decade in una particella più leggera e una particella senza massa nota come fotone oscuro. Con il decadimento di sempre più materia oscura nel tempo, hanno ragionato, la sua attrazione gravitazionale sarebbe diminuita, e quindi l’espansione dell’universo avrebbe accelerato, alleviando la tensione di Hubble.
Ma fare piccoli cambiamenti come questo al modello cosmologico standard può avere effetti a catena indesiderati. “È molto facile trovare tutti i tipi di piccole modifiche”, ha detto Marc Kamionkowski, un fisico teorico della Johns Hopkins University, ma è difficile farlo, ha detto, senza rovinare la perfetta corrispondenza del modello con una serie di altre osservazioni astronomiche.
Variando il tasso di decadimento e la quantità di materia oscura che si perde in ogni decadimento, Loeb e colleghi hanno selezionato un modello di decadimento della materia oscura che, dicono, è ancora in accordo con le altre osservazioni astronomiche. “Se si aggiunge questo ingrediente al modello standard della cosmologia, tutto si tiene insieme”, ha detto Loeb.
Ma rimane insoddisfatto dell’idea della materia oscura in decadimento, in parte perché introduce due nuove quantità incerte nelle equazioni.
“In questo caso, si aggiungono due parametri liberi per risolvere una discrepanza – e questo mi mette a disagio”, ha detto, paragonando il decadimento della materia oscura agli epicicli nel modello terra-centrico dell’universo di Tolomeo. “
L’energia oscura incostante
Dalla scoperta a sorpresa nel 1998 che l’espansione dell’universo sta accelerando, i cosmologi hanno incluso un’energia oscura repulsiva nel loro modello di evoluzione cosmica. Ma la sua natura rimane un mistero. La possibilità più semplice è che l’energia oscura sia la “costante cosmologica” – l’energia dello spazio stesso, con una densità costante ovunque. Ma cosa succede se la quantità di energia oscura nell’universo non è costante?
Una dose extra di energia oscura nel primo universo, soprannominata energia oscura iniziale, potrebbe conciliare i valori contrastanti della costante di Hubble. La pressione verso l’esterno di questa energia oscura precoce avrebbe accelerato l’espansione dell’universo. “La parte complicata è che non può davvero rimanere in giro; deve andare via velocemente”, ha detto Lisa Randall, un fisico delle particelle e cosmologo di Harvard.
Randall e i suoi collaboratori hanno ideato quelle che chiamano soluzioni “rock ‘n’ roll” alla tensione di Hubble in un documento presentato al Journal of High Energy Physics. Ognuna di queste aggiunte al modello standard prende una forma matematica diversa: in alcune, la densità dell’energia oscura oscilla, o dondola, mentre in altre rotola giù da un valore elevato a zero. Ma in tutti i casi, l’energia oscura iniziale deve scomparire dopo alcune centinaia di migliaia di anni, durante un’epoca conosciuta come ricombinazione. “La storia dell’universo dopo la ricombinazione è abbastanza coerente con il modello standard”, ha detto Kamionkowski, che è coautore di un articolo sull’energia oscura precoce pubblicato su Physical Review Letters lo scorso giugno. “Quindi, qualsiasi scimmia che facciamo nell’universo precoce deve decadere”.
Oltre all’energia oscura precoce, i teorici hanno proposto altre forme esotiche di energia oscura – come la quintessenza e l’energia oscura fantasma – che cambiano anche con l’invecchiamento dell’universo. Mentre queste estensioni al modello standard alleviano la tensione di Hubble, sono considerate da molti cosmologi come aggiunte matematiche fine-tuned-opportune che non hanno una chiara giustificazione.
Ma Kamionkowski dice che le nuove forme di energia oscura sembrano meno artificiose se considerate insieme ad altri periodi di espansione nella storia dell’universo. Per esempio, la maggior parte dei cosmologi pensa che lo spazio si sia espanso esponenzialmente all’inizio del Big Bang durante un periodo conosciuto come inflazione, che era guidato da un tipo diverso di energia oscura rispetto a quella che esiste oggi. Si pensa che tali periodi dominati dall’energia oscura “si verifichino occasionalmente in tutta la storia dell’universo”, ha detto Kamionkowski.
Gravità modificata
Nel modello standard della cosmologia, tutte le forme conosciute di materia e radiazione, più la materia e l’energia oscura, sono inserite nella teoria della gravità di Albert Einstein, e le equazioni di Einstein indicano come lo spazio si espande di conseguenza. Questo significa che, oltre a cambiare o aggiungere ingredienti cosmici al modello, c’è un altro modo in cui i fisici possono conciliarlo con il tasso di espansione cosmica osservato: “Si può immaginare che le equazioni di Einstein non siano corrette”, ha detto Loeb.
William Barker, uno studente di dottorato presso l’Università di Cambridge, stava cercando una teoria della “gravità modificata” la scorsa estate, quando si è imbattuto in un modo per risolvere la tensione di Hubble. Barker ha trovato un modello di gravità modificata che era “capace di comportarsi come se ci fosse una radiazione extra nell’universo primordiale”, ha detto; la pressione della radiazione avrebbe aumentato il tasso di espansione cosmica.
Ma in un preprint presentato a marzo a Physical Review D, Barker e tre coautori riconoscono che sono necessarie molte altre analisi per vedere se il modello può descrivere non solo come l’universo si espande ma anche come si sono evolute strutture come galassie e ammassi. “Molte delle teorie a gravità modificata non sono teorie complete, e quando si cerca di fare un calcolo dettagliato con serie di dati sofisticati … è difficile farlo in modo robusto”, ha detto Kamionkowski.
Wait and See
“Sappiamo tutti che sono ad hoc”, ha detto Randall delle proposte finora. “La cosa sorprendente è che anche con queste aggiunte ad hoc, è ancora molto difficile accomodare la discrepanza.”
Anche con la libertà extra, la maggior parte dei modelli non standard riduce solo la tensione di Hubble piuttosto che eliminarla. Prevedono un tasso di espansione cosmica più veloce del modello standard, ma non è ancora abbastanza veloce da corrispondere alle osservazioni di supernove e altri oggetti astronomici.
Nei prossimi anni, il telescopio Euclid e altri mapperanno meticolosamente come la gravità e l’energia oscura hanno modellato l’evoluzione cosmica. Nel frattempo, le onde gravitazionali emesse dalle stelle di neutroni in collisione offrono un nuovo modo per misurare la costante di Hubble. I nuovi dati escluderanno alcune di queste nuove soluzioni alla tensione di Hubble, ma potrebbero apparire nuove crepe nel modello standard. Per ora, molti cosmologi sono restii a complicare il modello quando altrimenti funziona così bene. “C’è un po’ un senso di attesa, a meno che qualcuno non abbia un’idea davvero buona”, ha detto Randall.
Ha aggiunto che anche se la tensione di Hubble si rivela essere niente più che un accumulo di errori, questa ricerca di nuova fisica potrebbe non essere vana.
“Risultati interessanti vengono occasionalmente da cose che alla fine spariscono”, ha detto Randall. “Ti costringe a pensare: cosa sappiamo? E quanto possiamo cambiare le cose?”
Storia originale ristampata con il permesso di Quanta Magazine, una pubblicazione editoriale indipendente della Simons Foundation la cui missione è di migliorare la comprensione pubblica della scienza coprendo gli sviluppi della ricerca e le tendenze in matematica e nelle scienze fisiche e della vita.
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