Perché l’Universo si espande così rapidamente?

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Anomalia da comprendere

Un modo per conoscere il tasso di espansione dell’Universo (costante di Hubble) è misurare la radiazione cosmica di fondo emessa subito dopo il Big Bang.

Questa radiazione racchiude in sé gli elementi primordiali del Cosmo, che inseriti in un modello di evoluzione cosmica ci fanno capire quanto velocemente lo spazio dovrebbe espandersi oggi.

Ma la teoria non combacia con i risultati che derivano dalle osservazioni: l’Universo si sta espandendo più velocemente di quanto previsto, ossia il valore della costante di Hubble è più grande di quello che deriva dai calcoli teorici.

Discrepanza reale o errore di misurazione?

La differenza tra l’espansione calcolata teoricamente e quella misurata sperimentalmente si chiama tensione di Hubble. Se si ammette che non ci sono errori di misurazione nella valutazione dell’espansione dell’Universo, allora il modello evolutivo del Cosmo non è completo, manca qualcosa.

Bisogna aggiungere al modello degli elementi che facciano in modo che il tasso di espansione previsto corrisponda a quello che ci consegnano le osservazioni. Ecco alcune idee.

Materia oscura che decade

Il modello cosmologico standard incorpora tutte le forme di materia e radiazione e le loro interazioni. Include anche le sostanze invisibili note come energia oscura e materia oscura, che insieme costituiscono circa il 96% dell’Universo. Poiché si sa molto poco di questi ingredienti scuri, è ovvio che si parte da essi per modificare un po’ il modello standard.

Il modello standard presuppone che la materia oscura sia costituita da particelle a movimento lento che non interagiscono con la luce. Ma cosa succederebbe se assumessimo che la materia oscura non è composta da una sola sostanza? Poiché esistono diversi tipi di particelle visibili – quark, elettroni e così via – potrebbero esserci anche più particelle oscure.

E’ stata ipotizzata l’esistenza di una forma di materia oscura che decade in una particella più leggera e una particella priva di massa nota come fotone oscuro. In questo caso a mano a mano che sempre più materia oscura decade nel tempo la sua attrazione gravitazionale diminuirebbe, e quindi con il passare del tempo l’espansione dell’Universo diventerebbe sempre più accelerata.

Energia oscura non costante

Fin dalla scoperta che l’espansione dell’Universo sta accelerando, i cosmologi hanno incluso un’energia oscura nel loro modello di evoluzione cosmica. Ma la sua natura rimane un mistero. La possibilità più semplice è che l’energia oscura sia 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 quantità aggiuntiva di energia oscura nell’Universo primordiale, soprannominata energia oscura primitiva, potrebbe far conciliare i valori contrastanti della costante di Hubble da punto di vista teorico e sperimentale.

La pressione verso l’esterno di questa prima energia oscura avrebbe accelerato l’espansione dell’universo. Ma questa energia oscura iniziale deve poi scomparire dopo alcune centinaia di migliaia di anni, durante un’epoca nota come ricombinazione – quando l’Universo è diventato trasparente –, per non modificare in modo ancora più grave la successiva espansione del Cosmo. La storia dell’Universo dall’epoca di ricombinazione in poi è infatti è abbastanza coerente con il modello standard.

Gravità modificata

Nel modello standard della cosmologia, tutte le forme conosciute di materia e radiazione, più la materia oscura e l’energia oscura, sono inserite nella teoria della gravità di Albert Einstein e le equazioni di Einstein indicano come lo spazio si espande. Ciò significa che, oltre a modificare o aggiungere ingredienti cosmici al modello, c’è un altro modo in cui i fisici possono riconciliarlo con il tasso di espansione cosmica osservato: modificare la teoria della gravità.

Cosa succederebbe se prendessimo in considerazione il fatto che la teoria di Einstein non fosse corretta, e quindi che non esistesse l’energia oscura? Per quanto accurata si sia dimostrata finora, la relatività generale non è l’unica teoria che può spiegare la gravitazione, e l’energia oscura va considerata soltanto se la teoria della gravità di Einstein è valida su tutte le scale del Cosmo.

Per cercare di comprendere gli effetti della gravitazione nel Cosmo e di confutare o meno la teoria della relatività generale alcuni progetti di ricerca utilizzano le informazioni che sono codificate nelle statistiche delle velocità peculiari delle galassie dell’Universo locale e nelle distorsioni spaziali del redshift osservate nelle galassie lontane.

Questi approcci coprono le scale intergalattiche, dove la teoria della gravità non è stata finora rigorosamente testata, utilizzando simulazioni al computer che ricreano un Universo virtuale. Per diminuire la complessità dell’analisi si usano algoritmi che, a scapito di una certa precisione, possono modellare l’evoluzione dell’Universo in modo molto efficiente.

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