Un gruppo di scienziati ha confermato la costanza della gravità dall’inizio dell’Universo, eliminando una delle ipotesi legate all’esistenza dell’energia oscura.

Da oltre un secolo, gli astronomi sanno che l’Universo si è espanso dopo il Big Bang. Per i primi otto miliardi di anni, il tasso di espansione è stato relativamente costante poiché è stato trattenuto dalla forza di gravità. Tuttavia, grazie a missioni come il telescopio spaziale Hubble, gli astronomi hanno appreso che circa cinque miliardi di anni fa, il tasso di espansione è in accelerazione. Ciò ha portato alla teoria ampiamente accettata che dietro l’espansione ci sia una forza misteriosa, denominata energia oscura, mentre alcuni insistono sul fatto che sia invece la forza di gravità a essere cambiata nel tempo.

Questa è un’ipotesi controversa poiché significa che la teoria generale della relatività di Einstein è sbagliata. Ma secondo un nuovo studio della collaborazione internazionale Dark Energy Survey (DES), la natura della gravità è rimasta la stessa per tutta la storia dell’Universo. E questi risultati sono arrivati poco prima che due telescopi spaziali di nuova generazione (Nancy Grace Roman ed Euclid) siano inviati nello spazio per condurre misurazioni ancora più precise della gravità e del suo ruolo nell’evoluzione cosmica.

La foto del Webb
La prima foto del James Webb ai confini dell’Universo osservabile. Credit: NASA, ESA, CSA e STScI

La Relatività di nuovo sotto esame

La Teoria della Relatività Generale di Einstein, da lui finalizzata nel 1915, descrive come la curvatura dello spaziotempo viene alterata in presenza di gravità. Per oltre un secolo, questa teoria ha predetto accuratamente quasi tutto nel nostro Universo, dall’orbita di Mercurio e dalla lente gravitazionale all’esistenza dei buchi neri. Ma tra gli anni ’60 e ’90 sono state scoperte due discrepanze che hanno portato gli astronomi a chiedersi se la teoria di Einstein fosse corretta.

In primo luogo, gli astronomi hanno notato che gli effetti gravitazionali di strutture massicce (come galassie e ammassi di galassie) non erano in accordo con la loro massa osservata. Ciò ha dato origine alla teoria secondo cui lo spazio è pieno di una massa invisibile che interagisce con la materia “normale” (ovvero “luminosa” o visibile) tramite la gravità che è stata chiamata materia oscura.

Nel frattempo, l’espansione osservata del cosmo (e come esso è soggetto all’accelerazione) ha dato origine alla teoria dell’energia oscura e al modello cosmologico Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM). La Cold Dark Matter – o materia oscura fredda – è una teoria in cui questa massa è composta da particelle grandi e lente mentre Lambda rappresenta l’energia oscura.

Secondo le stime, queste due forze costituiscono il 95% del contenuto totale di massa-energia dell’Universo, ma tutti i tentativi di trovarne una prova diretta sono falliti.

L’unica alternativa possibile è che la relatività debba essere modificata per tenere conto di queste discrepanze. Per scoprire se è così, i membri del DES hanno utilizzato il telescopio da 4 metri Victor M. Blanco presso l’Osservatorio interamericano Cerro Telolo in Cile per osservare galassie fino a 5 miliardi di anni luce di distanza.
Le osservazioni miravano a determinare se la gravità fosse variata negli ultimi 5 miliardi di anni (da quando è iniziata l’accelerazione) o sulle distanze cosmiche. Hanno anche integrato la ricerca con i dati di altri telescopi, incluso il satellite Planck dell’ESA, che dal 2009 esegue la mappatura del Fondo cosmico a microonde (CMB).

Finora, la DES Collaboration ha misurato le forme di oltre 100 milioni di galassie e tutte le osservazioni corrispondono a quanto previsto dalla Relatività GeneraleLa buona notizia è che la teoria di Einstein è ancora valida, ma questo significa anche che il mistero dell’energia oscura per il momento continua a non avere spiegazione.

Rendering del telescopio spaziale Euclid. Credits: ESA/ATG medialab (spacecraft); NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling e E. Barrett (University of Hawaii/IfA), et al. e STScI (immagine di sfondo)

Un aiuto dalle future missioni

Fortunatamente, gli astronomi non dovranno aspettare molto prima che siano disponibili dati nuovi e più dettagliati. In primo luogo, c’è la missione Euclid dell’ESA, il cui lancio è previsto entro il 2023. Questa missione mapperà la geometria dell’Universo, guardando 8 miliardi di anni nel passato per misurare gli effetti della materia oscura e dell’energia oscura. Entro maggio 2027, le sarà affiancato il telescopio spaziale Nancy Grace della NASA, che guarderà indietro fino a oltre 11 miliardi di anni. Queste saranno le indagini cosmologiche più dettagliate mai condotte e dovrebbero fornire le prove più convincenti a favore (o contro) del modello Lambda-CDM.

Inoltre, le osservazioni fornite da Webb delle prime stelle e galassie dell’Universo consentiranno agli astronomi di tracciare l’evoluzione del cosmo dai suoi primi periodi. Questi strumenti hanno il potenziale per rispondere ad alcuni dei misteri più urgenti nell’Universo come il fatto che la Relatività e la massa osservata e l’espansione dell’Universo coincidano. Ma potrebbero anche fornire informazioni su come interagiscono la gravità e le altre forze fondamentali dell’Universo nella Teoria del Tutto.

Se c’è una cosa che caratterizza l’attuale era dell’astronomia è il modo in cui le indagini a lungo termine e gli strumenti di nuova generazione interagiscano per verificare ciò che è stata la teoria fino ad ora. Le potenziali scoperte a cui questi potrebbero portare sicuramente ci delizieranno e ci confonderanno ma, alla fine, rivoluzioneranno il modo in cui guardiamo l’Universo.

Riferimenti: Universe Today, NASA\JPL

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