Nonostante la Relatività Generale abbia superato molte prove, potrebbe aver bisogno di un ulteriore tassello per essere davvero completa.

Secondo il Modello Standard di Fisica delle Particelle, l’Universo è governato da quattro forze fondamentali: l’elettromagnetismo, la forza nucleare debole, la forza nucleare forte e la gravità. Mentre i primi tre sono descritti dalla Meccanica Quantistica, la gravità è descritta dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein. Sorprendentemente, la gravità è quella che presenta le maggiori sfide ai fisici. Nonostante la teoria descriva accuratamente come funziona la gravità per pianeti, stelle, galassie e ammassi, non si applica perfettamente a tutte le scale.

Sebbene la Relatività Generale sia stata convalidata ripetutamente nel secolo scorso (a partire dall’Eddington Eclipse Experiment nel 1919), appaiono ancora delle lacune quando gli scienziati cercano di applicarla alla scala quantistica e all’Universo nel suo insieme. Secondo un nuovo studio condotto dalla Simon Fraser University, un team internazionale di ricercatori ha testato la Relatività Generale sulla scala più ampia e ha concluso che potrebbe aver bisogno di alcune modifiche. Questo metodo potrebbe aiutare gli scienziati a risolvere alcuni dei più grandi misteri che devono affrontare oggi gli astrofisici e i cosmologi.

La Relatività Generale di Einstein

La foto del James Webb
Il Deep Field del James Webb. Credit: NASA, ESA, CSA e STScI

Secondo le equazioni di campo della Relatività Generale, l’Universo non è statico e deve trovarsi in uno stato di espansione, altrimenti la forza di gravità lo farebbe contrarre. Mentre Einstein inizialmente si oppose a questa idea e cercò di proporre una forza misteriosa che mantenesse l’Universo in equilibrio, ovvero la sua costante cosmologica, le osservazioni di Edwin Hubble negli anni ’20 mostrarono che l’Universo si sta espandendo.

Anche la teoria quantistica prevede che il vuoto dello spazio sia pieno di energia che passa inosservata perché ritiene che i metodi convenzionali possano solo misurare i cambiamenti di energia e non stabilire la sua quantità totale.

Negli anni ’90, nuovi osservatori come l’Hubble Space Telescope (HST) hanno spinto i confini dell’astronomia e della cosmologia. Grazie a rilevamenti come il Deep Fields di Hubble e del James Webb, gli astronomi hanno potuto vedere gli oggetti mentre apparivano a oltre 13 miliardi di anni luce (o meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang). Con loro sorpresa, hanno scoperto che negli ultimi 4 miliardi di anni il tasso di espansione è andato accelerando. Ciò ha portato a quello che è noto come “il vecchio problema della costante cosmologica”, in cui le soluzioni possono essere solo due: la gravità è più debole su scale cosmologiche oppure una forza misteriosa sta guidando l’espansione cosmica.

L’autore principale Levon Pogosian (Professore di Fisica, Simon Fraser University) e il coautore Kazuya Koyama (Professore di Cosmologia, Università di Portsmouth) hanno riassunto la questione in un recente articolo pubblicato su The ConversationIl problema della costante cosmologica si riduce a una singola domanda con implicazioni drastiche: se l’energia del vuoto in realtà gravita – esercitando una forza gravitazionale e cambiando l’espansione dell’universo – allora perché la sua gravità è molto più debole del previsto? Se il vuoto non gravita affatto, cosa sta causando l’accelerazione cosmica?

Non sappiamo cosa sia l’energia oscura, ma dobbiamo presumere che esista per spiegare l’espansione dell’universo. Allo stesso modo, dobbiamo anche presumere che esista un tipo di presenza di materia invisibile, soprannominata materia oscura, per spiegare come le galassie e gli ammassi si sono evoluti per essere il modo in cui li osserviamo oggi.

La tensione di Hubble

Costante di Hubble. Credit: NASA.

L’esistenza dell’Energia Oscura fa parte della teoria cosmologica standard nota come modello Lambda Cold Dark Matter (LCDM), dove Lambda rappresenta la Costante Cosmologica/Energia Oscura. Secondo questo modello, la densità di massa-energia dell’Universo consiste per il 70% di energia oscura, per il 25% di materia oscura e per il 5% di materia normale (visibile o “barionica”).

Sebbene questo modello abbia abbinato con successo le osservazioni raccolte dai cosmologi negli ultimi 20 anni, presuppone che la maggior parte dell’Universo sia costituita da forze non rilevabili.

Ecco perché alcuni fisici hanno osato dire che la Relatività Generale potrebbe aver bisogno di alcune modifiche per spiegare l’Universo nel suo insieme. Inoltre, alcuni anni fa, gli astronomi hanno notato che misurare il tasso di espansione cosmica in modi diversi produceva valori diversi.

Questo problema è noto come tensione di Hubble: uno dei due valori è il numero previsto dal modello cosmologico LCDM, che è stato sviluppato per corrispondere alla luce rimasta dal Big Bang (la radiazione cosmica di fondo). L’altro è il tasso di espansione misurato osservando stelle che esplodono note come supernove in galassie lontane.

Sono state proposte molte idee teoriche per modificare il modello LCDM per spiegare la tensione di Hubble. Tra queste ci sono teorie gravitazionali alternative, come la Dinamica Newtoniana Modificata (MOND), una versione modificata della Legge di Gravitazione Universale di Newton che elimina l’esistenza della Materia Oscura.

Per oltre un secolo, gli astronomi hanno testato la Relatività Generale osservando come la curvatura dello spaziotempo viene alterata in presenza di campi gravitazionali. Questi test sono diventati particolarmente estremi negli ultimi decenni, che includono il modo in cui i buchi neri supermassicci (SMBH) influenzano le stelle in orbita o il modo in cui le lenti gravitazionali amplificano e alterano il passaggio della luce.

Piccole incongruenze

L’inflazione cosmica. Credit: Wikipedia.

Per il loro studio, gli scienziati hanno utilizzato un modello statistico noto come inferenza bayesiana, che viene utilizzato per calcolare la probabilità di un teorema man mano che vengono introdotti più dati. Grazie a esso il team ha simulato l’espansione cosmica sulla base di tre parametri: i dati CMB del satellite Planck dell’ESA, cataloghi di supernova e galassie come Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e Dark Energy Survey (DES) e le previsioni del modello LCDM.

Per determinare se la Relatività Generale sia corretta sulla scala più grande, è stata fatta un’indagine su tre aspetti: l’espansione dell’Universo, gli effetti della gravità sulla luce e gli effetti della gravità sulla materia.

I risultati hanno mostrato alcune incongruenze con le previsioni di Einstein, sebbene avessero un significato statistico piuttosto basso. Ed è stato inoltre scoperto che risolvere il problema della tensione di Hubble è difficile con la sola modifica della teoria, suggerendo che potrebbe essere necessaria una forza aggiuntiva oppure che ci sono errori nei dati.

Se la prima conclusione fosse corretta allora è possibile che questa forza fosse presente durante l’Universo primordiale (circa 370.000 anni dopo il Big Bang) quando i protoni e gli elettroni si combinarono per creare l’idrogeno.

Diverse possibilità sono state avanzate negli ultimi anni, che vanno da una forma speciale di Materia Oscura, un primo tipo di Energia Oscura, sino a campi magnetici primordiali. In ogni caso, questo ultimo studio indica che ci sono ricerche future da fare che potrebbero portare a una revisione del modello cosmologico più ampiamente accettato.

Lo studio ha dimostrato che è possibile testare la validità della Relatività Generale su distanze cosmologiche utilizzando dati osservativi. Anche se non abbiamo ancora risolto il problema di Hubble, tra qualche anno avremo molti più dati dalle nuove sonde. Ciò significa che saremo in grado di utilizzare questi metodi statistici per continuare a modificare la relatività generale, esplorando i limiti delle modifiche, per aprire la strada alla risoluzione di alcune delle sfide aperte nella cosmologia.

Riferimenti: Universe Today

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