Un universo in espansione accelerata
Nel 1998 un team di scienziati, premiati poi con il Nobel, rivela al mondo come l'universo non si stia espandendo secondo le previsioni ma stia, invece, accelerando. Una accelerazione che trova giustificazione soltanto in una energia "attuale".
Due delle scoperte più importanti della moderna Cosmologia, quella della Radiazione Cosmica di Fondo e quella del tasso di espansione dell'universo, dimostrano come ciò che vediamo del nostro universo sia ancora una parte del tutto limitata sia per estensione, con limiti dell'universo visibile rispetto all'universo intero, sia per tipologia di materia che possiamo osservare.
Le risultanti delle analisi fatte sulla radiazione e la misurazione della velocità di espansione dell'universo dimostrano, infatti, come per disegnare un modello di universo compatibile con la realtà osservata, e quindi per far quadrare il bilancio complessivo di materia ed energia di un universo che a tutti gli effetti risulta essere piatto ed in espansione accelerata, sia indispensabile aggiungere ancora materia ed energia con caratteristiche fisiche a tutt'oggi solo ipotizzabili. Sappiamo che la teoria cosmologica standard presuppone una espansione iniziata quasi 14 miliardi di anni fa a seguito del Big Bang e oggi ancora in corso.
I primi modelli cosmologici sviluppati sulla base della Relativita ' di Einstein tracciano la possibile evoluzione del tessuto dello spazio-tempo in relazione alla quantità di materia in esso presente e alla sua distribuzione. La forma dell'universo, ossia il suo raggio di curvatura, è quindi strettamente dipendente dalla quantità di materia che lo compone. La densità di materia limite che il nostro Universo è in grado di contenere prima di ripiegarsi su sé stesso ad opera della sua stessa forza di gravità viene definita massa critica ed è proprio il rapporto che esiste tra la densità di massa reale ed il valore della densità critica (definito k) che determina la geometria e il destino dell'universo, come visto. Sappiamo quindi che per k pari a 1 o quasi, l'universo risulta piatto, assoggettato alle regole della geometria euclidea e rappresentabile come un piano nelle tre dimensioni. Il suo destino è quello di espandersi per sempre ma con un tasso di espansione via via decrescente, sulla spinta della prima espansione che via via va scemando.
Analizzando la Radiazione Cosmica di Fondo i valori che si osservano dimostrano (tramite complesse misurazioni delle increspature presenti nella radiazione generate dalle fluttuazioni di temperatura ) che l'universo è talmente spazialmente piatto da richiedere l'introduzione di una inflazione . Questa condizione osservata presuppone quindi che il valore della densità di massa critica sia prossimo al valore della densità di massa reale. Le stesse misurazioni ci dicono anche il contributo dato dalla quantità di materia visibile non è sufficiente a spiegare l'attuale raggio di curvatura dell'universo.
Supernova Ia, rappresentazione
Il 1998 ci regala una sorpresa. L'analisi delle Supernove di Tipo Ia ha dimostrato, infatti, come il tasso di espansione attuale dell'universo non corrisponda ai tassi ipotizzati dai modelli cosmologici standard. L'universo sta accelerando e questa accelerazione è spiegabile solo introducendo una nuova forma di energia. Le supernovae Ia possiedono la caratteristica essenziale di essere delle candele standard: si tratta di sistemi binari contenenti una nana bianca che acquisisce materia fino a superare il proprio limite strutturale, definito Limite di Chandrasekhar, pari a 1.44 masse solari. Raggiunta questa massa, la nana bianca esplode con una luminosità sempre uguale e nota, una luminosità che quindi consente di ottenerne la distanza dal confronto tra magnitudine apparente e magnitudine assoluta. Anche lo spettro, tuttavia, denota un redshift indice di distanza e il confronto tra redshift e magnitudine apparente ha indicato come supernovae che avrebbero dovuto essere più vicine siano in realtà più lontane di quanto l'espansione dell'universo ipotizzata portasse a pensare. L'universo, quindi, si sta espandendo a una velocità via via superiore man mano che passa il tempo: sta accelerando, appunto.
Adam Riess, Saul Perlmutter e Brian Schmidt, premi Nobel nel 2011
Per accelerare non basta la spinta ricevuta all'inizio: deve esistere una spinta che viene data anche oggi, ai nostri giorni. Una energia della quale non conoscevamo l'esistenza e della quale oggi non conosciamo la natura.
Quella delle SN Ia è la prova più forte a favore della energia oscura come calcio di accelerazione all'universo, una prova che si basa sull'assunzione che la luminosità corretta delle supernovae in esame attraverso la standardizzazione empirica non evolva con il redshift. Osservazioni di fine 2019, tuttavia, e le conseguenti analisi portate avanti alla Yonsei University e alla Lyon University, mostrano come questa assunzione iniziale possa essere un errore. L'analisi segnale-rumore, applicata a galassie vicine ospiti di SN-Ia, ha portato a misurazioni di età stellari delle galassie stesse scoprendo una significativa correlazione tra luminosità delle supernovae e popolazioni stellari, una correlazione con livello di confidenza del 99.5%. La luminosità delle supernovae Ia, quindi, dipenderebbe dall'età stellare e questo è inaccettabile per il concetto di "candela standard". Le stelle che originano le SN sono via via più giovani man mano che ci si allontana e questo introduce un grave errore sistematico, tanto grande da porre in discussione l'esistenza stessa dell'energia oscura. Tanto più che i recenti dati ottenuti da Planck sembrano spingere per un universo curvo che non avrebbe, di nuovo, bisogno della energia oscura (Early-Type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology, Astrophysical Journal).
Le osservazioni di eBOSS (extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) hanno rilevato prove di energia oscura in diversi esperimenti, compreso uno pubblicato nel 2021 ed effettuato a una distanza tra 0.7 e 1.8 miliardi di anni luce da noi, un volume mai esaminato prima di allora. Anche qui, la storia dell'espansione cosmica e della crescita delle strutture spinge a favore dell'energia oscura con una significatività pari a 11 sigma, la prova più forte mai ottenuta da indagini galattiche.
L'evoluzione della luminosità imita perfettamente quanto previsto dalla energia oscura nel modello cosmologico. Credit: Yonsei University
Sempre nel 2021, tuttavia, segnali di energia oscura potrebbero essere stati captati da un rilevatore nato per la detection della materia oscura, Xenon1T al Gran Sasso, sotto forma di "schermatura di chameleons" (con i chameleons intesi come particelle utili a spiegare l'energia oscura). Si tratta di particelle ipotetiche con massa dipendente dall'ambiente che le circonda, in modo proporzionale alla densità della materia stessa (proprio in questo adattamento sta la schermatura). Il 2020 ha fatto registrare un anomalo eccesso che potrebbe essere un vero segnale ma - allo stato attuale - anche una fluttuazione stocastica. Inizialmente imputato agli assioni dal Sole (anche questi puramente ipotetici e mai rinvenuti), ci si è accorti tuttavia di svariati problemi senza soluzione visto che la quantità necessaria a spiegare l'evento cozzerebbe con l'evoluzione di stelle più massive del Sole. I chameleon non hanno massa definita proprio per l'effetto di schermatura e questo si adatta meglio alle osservazioni, visto che le stelle molto massive potrebbero non produrre affatto chameleons al loro interno mantenendo inalterati i modelli. Nella fattispecie, i chameleons sarebbero stati prodotti nella zona del tacoclino, la regione in cui il traporto di energia passa da radiativo a convettivo (posto a 0.7 volte il raggio del Sole), laddove i campi magnetici sono molto intensi facilitandone la produzione. Resta da verificare la veridicità del segnale, e a questo potrà dare risposta il futuro upgrade di Xenon1T (Physical Review D - “Direct detection of dark energy: The XENON1T excess and future prospects” - Sunny Vagnozzi et al.)
Ultimo aggiornamento del: 19/09/2021 09:30:17
Il bisogno di una energia misteriosa
Le misurazioni dell'espansione dell'universo ci dicono che il 70% circa di quanto presente nello stesso deve avere la forma di una "forza repulsiva" sconosciuta, tanto misteriosa quanto forte da accelerarlo. Il significato della costante cosmologica
Il 75% del nostro universo è permeato da una forma di stress-energia con pressione negativa distribuita in modo omogeneo, una forza invisibile che, opponendosi alla gravità, funge da acceleratore per l'espansione dell'Universo.
Per far quadrare il bilancio della densità di energia totale e spiegare l'accelerazione dell'espansione è necessario inserire questa misteriosa energia, battezzata energia oscura, strana nel Modello Cosmologico Standard. E' quindi necessario calibrare il parametro k che definisce la geometria dell'universo in modo da renderlo dipendente non solo dalla materia ma dalla somma di materia ed energia. Se la geometria dell'universo dipende dall'intero k il suo destino dipende quasi esclusivamente dall'energia strana che, potenzialmente, potrebbe avere un valore così grande da spingere l'universo ad espandersi per sempre indipendentemente dalla quantità di materia in esso presente. Dal 1998 ad oggi uno degli scopi fondamentali dei cosmologi è stato quello di definire forma e valore di questa energia oscura.
La costante cosmologica per l'energia oscura e l'EDE
La prima ad essere chiamata in causa è, naturalmente, la costante cosmologica Λ. La costante cosmologica è una densità di energia statica che si comporta come un fluido perfetto, riempiendo omogeneamene lo spazio, e questo la rende un buon candidato al ruolo di energia oscura. Possiamo considerarla fisicamente equivalente all'energia del vuoto: secondo la meccanica quantistica il "vuoto" non è realmente vuoto ma è riempito da una quantità enorme di energia generata da coppie di particelle ed antiparticelle che nascono e si annichilano a vicenda scambiando, appunto, energia. Sono particelle virtuali, come quelle che trasportano la forza. Non è possibile osservarle direttamente ma è possibile verificare i loro effetti indiretti. L’energia associata alle particelle virtuali risulta però essere di diversi ordini di grandezza maggiore rispetto al valore di energia necessario per spiegare l'attuale tasso di espansione.
Le costanti sono dei valori che consentono l'approssimazione al fine di facilitare lo svolgimento di calcoli complessi; in fisica le costanti hanno un valore fisso indipendente dal momento e dal luogo in cui vengono misurate e questo non risolve il problema della coincidenza cosmica, ossia non spiega perchè la densità di energia del vuoto sembri aver iniziato a dominare rispetto alla densità di materia pressapoco nell'epoca attuale.
Come noto da decenni di dibattiti, la costante cosmologica dà vita a tanti problemi tanto da innescare una tensione tra dati ottenuti da differenti sorgenti in base all'osservazione locale o remota. Questi problemi hanno spinto un team di scienziati a chiedersi se ci sia veramente bisogno della costante cosmologica standard, proponendo una alternativa in un numero di New Astronomy di fine 2020: ciò che si propone è un modello di un nuovo candidato di energia oscura, alternativo, in grado di fornire una spiegazione per l'accelerazione dell'universo. Una forma totalmente nuova di energia oscura, quindi, che produce l'espansione accelerata per costruzione nella fase primordiale dell'universo e si evolve con il redshift, risultando collegata quindi a osservazioni astronomiche passate. Il modello di Energia Oscura Iniziale (Early Dark Energy model - EDE) vede quindi agire l'energia oscura nell'universo primordiale, emulando il comportamento descritto dalla costante cosmologica ma evitandone i problemi. Il tutto prendendo comunque a riferimento i dati osservativi dati dalle candele standard come le supernovae Ia, i vincoli al fondo cosmico a microonde e le misurazioni dell'oscillazione acustica barionica (Luz Ángela García et al. A novel early dark energy model, New Astronomy - 2020).
La quintessenza
La quintessenza, altra candidata al ruolo di energia oscura, risolverebbe questa necessità di una energia oscura dinamica e consoliderebbe nello stesso tempo la teoria dell'inflazione . Paul Steinhard ha definito "quintessenza" questo campo dinamico di energia variabile, assimilandola ad una ulteriore forza che si va ad aggiungere alle quattro fondamentali presenti in natura ed i cui effetti variabili nel tempo sono attrattivi o repulsivi in base al rapporto che esiste tra energia cinetica ed energia potenziale dell'universo.
Secondo la Relativita ' Generale, se l'universo è pieno di materia ordinaria l'espansione dovrebbe via via rallentare a causa della gravità. Dal momento che l'espansione sta accelerando siamo di fronte a due possibilità, ognuna con delle profonde implicazioni per la nostra comprensione delle leggi fondamentali della fisica:
- l'universo è riempito da un nuovo tipo di stress-energia con proprietà sconosciute
- la Relatività Generale non è più applicabile su scala cosmologica e dovrà essere sostituita da una nuova e più completa teoria.
Per avere, forse, le prime risposte sarà necessario aspettare i risultati della missione EUCLID prevista per il 2020 che sfrutterà il weak gravitational lensing, ossia la distorsione apparente delle immagini delle galassie dovuta alla non omegeneità della massa lungo la linea di osservazione e le oscillazioni acustiche della materia barionica per comprendere la natura dell'energia oscura e della sua eventuale evoluzione cosmica.
Come tutto quel che non si vede, la teoria dell'energia oscura continua a essere sottoposta a analisi e contraddizioni. Un articolo di Settembre 2017 pubblicato su Monthly Notices of the Astronomical Royal Society a cura della Università di Canterbury sostiene un modello universale uguale a quello osservato privo della necessità di ricorrere all'energia oscura. In tal caso l'espansione accelerata dell'universo non appare più reale, ma soltanto una percezione, un effetto apparente. I modelli finora accettati si basano su una legge di espansione cosmica di un secolo fa, quella di Friedmann, la quale assume una espansione identica a quella di una sorta di minestra priva di caratteristiche, priva di una struttura complicata. Questo, ovviamente, non rappresenta la complicazione che invece presenta la rete cosmica reale. Il nuovo modello non confronta il modello standard Lambda Cold Dark Matter con un universo vuoto ma con un modello chiamato cosmologia temporale privo di energia oscura. In questo modello, gli orologi degli osservatori disposti nelle galassie differiscono dall'orologio che descrive al meglio l'espansione media dell'universo. Dipende tutto dall'orologio usato, quindi. In queste condizioni, il modello sembra essere una approssimazione al reale migliore rispetto al modello cosmologico standard ma l'evidenza empirica non è ancora così forte da poter consentire una valutazione favorevole. Ci si muove su qualcosa di molto teorico ma stando a un altro lavoro pubblicato su Nature Astronomy a Settembre 2018, tuttavia, attraverso modelli basati su simulazioni numeriche e confronto con i dati osservativi della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qualsiasi modello che prenda in considerazione Leggi di Gravità differenti dalla Relatività Generale, anche relativamente a variazioni minime, darebbero vita a universi totalmente differenti da quello che ci si presenta davanti: galassie decisamente più ammassate e un universo che di accelerato viene ad avere decisamente poco. Si tratta di una lancia in più a favore del Modello Cosmologico Standard e dell'energia che rende accelerata l'espansione dell'universo. La Relavità, quindi, sembra mantenere il proprio valore anche nel caso di applicazione a larga scala (Nature Astronomy, 2018 - "No evidence for modifications of gravity from galaxy motions on cosmological scales").
Attualmente un sostegno forte alla presenza di energia oscura lo fornisce, o lo cerca, la Dark Energy Survey (DES), la quale utilizza la struttura cosmica osservata in centinaia di milioni di galassie per rivelarne la natura. Dal 2013, anno di inizio, DES ha mappato il 10% del cielo con una fotocamera a 570 milioni di pixel e cinque filtri ottici, per un team di più di 400 scienziati. La prima release di dati ha consentito di ottenere un allineamento tra due modelli statistici di elaborazione dei dati stessi, uno in 2D e uno in 3D, sotto l'ipotesi della presenza di vuoti cosmici molto semplici e con luce emessa che cala in proporzione diretta alla massa . I vuoti compresi tra 106 e 600 milioni di anni luce si adattano bene, tanto da consentire prove al rapporto massa-luce (Y Fang et al. Dark Energy Survey year 1 results: the relationship between mass and light around cosmic voids, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society - 2019). Una spinta alla ricerca potrà senz'altro provenire dal Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) installato in Arizona sul Mayall Telescope, che ha visto la prima luce il 22 ottobre 2019. Lo strumento misurerà decine di milioni di redshift galattici, coprendo un volume fino a dieci miliardi di anni luce dalla Terra. Si potrà forse scoprire se l'energia oscura sia soltanto una costante cosmologica, misurando il rapporto tra la pressione esercitata e l'energia per unità di volume: se l'energia oscura è una costante cosmologica, allora il rapporto deve essere costante nel tempo. Un test importante è atteso anche per l'inflazione , mentre molte teorie potrebbero andare a cadere definitivamente aumentando la chiarezza. A DESI si aggiungeranno poi Euclid e osservatori come il Large Synoptic Survey Telescope.
Soluzioni alternative ce ne sono in ogni caso e una particolarmente curiosa viene pubblicata a marzo 2021: prevede di eliminare l'energia oscura sostituendola con alcune caratteristiche della materia oscura senza modificare i risultati. Nel nuovo modello, infatti, alla quota di materia oscura - rappresentante il 25% circa dell'universo - viene assegnata una serie di qualità particolari tali da rendere ridondante il 70% dell'energia oscura. Le particelle si muovono creando magnetismo, e i magneti attraggono o respingono altri magneti: l'idea è che l'espansione dell'universo sia legato a una forza magnetica, legata a sua volta alla materia oscura (Karoline Loeve et al. Consistency analysis of a Dark Matter velocity dependent force as an alternative to the Cosmological Constant, arXiv).
Ultimo aggiornamento del: 01/04/2021 20:45:37
Una quinta forza fondamentale?
Le metodologie di ricerca per comprendere la natura dell'energia oscura sono allo stadio primordiale, succubi di una forza ancora troppo ignota per poter fornire appigli. Secondo alcuni siamo in presenza di una quinta forza.
Il 70% dell'universo è composto quindi da un qualcosa, da una energia a pressione negativa in grado di contrastare il collasso gravitazionale indotto dalla massa e di espandere l'universo in modalità accelerata.
Secondo alcuni fisici si è in presenza di una quinta forza fondamentale in grado di manifestarsi su scale molto grandi, laddove la densità di materia risulta decisamente bassa e tendente allo zero. In situazioni simili la Relatività Generale potrebbe lasciare lo spazio a qualcosa di nuovo, a una vera e propria forza che finora - vivendo in luoghi dominati dalla materia - non è stata ancora valutata.
Alla University of Nottingham hanno tentato di verificare se questa forza possa agire a livello atomico tramite un interferometro atomico che sfrutta il dualismo onda-particella. E' stata posta una sfera di alluminio in una camera a vuoto con atomi di rubidio-87 in caduta libera. In caso di deviazione dell'atomo nel passaggio vicino la sfera, allora si potrebbe iniziare a pensare all'energia oscura come a una quinta forza. Nulla è stato invece osservato (Physical Review Letters - “Experiment to detect dark energy forces using atom interferometry” - Sabulsky D).
Ultimo aggiornamento del: 21/08/2019 18:51:45
GEODEs
A far parte dell'energia oscura potrebbero esistere degli oggetti generici (GEODES) derivanti dal collasso stellare. Una prova potrebbero fornirla gli interferometri gravitazionali
In genere si assume come un sistema cosmologicamente grande come l'universo sia insensibile ai dettagli dei singoli sottosistemi che lo compongono, e questa è una assunzione utilizzata durante l'applicazione delle equazioni di Einstein adatte a modellare l'espansione dell'universo: l'universo si espande senza dar conto a ciò che avviene, a scala minore, al suo interno. Questo assunto è stato eliminato nel 2019 da uno studio di Kevin Croker e Joel Weiner relativamente agli oggetti compatti derivanti dal collasso stellare.
Una supposizione di ottanta anni viene quindi eliminata, assumendo invece come la Relatività Generale possa collegare in modo osservabile le stelle collassate al comportamento totale dell'universo. Il tasso di crescita dell'universo può essere quindi sensibile al contributo medio di tali oggetti e questo rivela connessioni del tutto inattese tra la cosmologia e la fisica degli oggetti compatti.
Oggetti come il buco nero di M87 potrebbero essere GEODEs. Crediti EHT collaboration - NASA/CXC
Una conseguenza di questo studio riguarda il tasso di crescita dell'universo, che quindi viene a fornire informazioni sugli stadi finali della vita stellare. Gli astronomi presumono che grandi stelle portino alla formazione di buchi neri, ma non si tratta dell'unico risultato possibile visto che nel 1966 Erast Gliner propose come alternativa la formazione di Generic Objects of Dark Energy (GEODEs): visti da fuori questi oggetti somigliano a buchi neri, ma all'interno presentano energia oscura al posto di una singolarità. Nel 1998 due team di astronomi, indipendentemente tra loro, hanno scoperto come l'espansione dell'universo sia accelerata grazie alla presenza di energia oscura, ma il contributo dei GEODEs non venne preso in considerazione. Correggendo l'assunto iniziale, i GEODEs tornano invece prepotentemente alla ribalta: se una frazione delle stelle più antiche fosse collassata in GEODEs anziché in buchi neri, allora il contributo medio visto oggi sarebbe in grado di produrre l'energia oscura uniforme richiesta dal Modello Standard. In particolare, questi oggetti sarebbero molto comune tra i vuoti che separano le galassie, secondo uno studio del 2020, il che andrebbe a risolvere un problema particolarmente ostico: se i GEODEs si comportassero come i buchi neri rimarrebbero vicini alla materia visibile e galassie come la nostra Via Lattea avrebbero interrotto l'espansione accelerata dell'universo, attraendo questi oggetti. Il movimento nello spazio dei GEODEs, invece, è diverso: lo strato rotante che copre l'energia oscura determina il modo in cui gli oggetti si muovono. Se la rotazione è lenta, allora i GEODEs tendono a raggrupparsi in modo più rapido dei buchi neri, guadagnando massa dalla crescita dell'universo stesso. Se la rotazione sale fino ad approssimare la velocità della luce, invece, il guadagno di massa viene dominato da un diverso effetto e i GEODEs iniziano a essere mutuamente repulsivi. Se confermato, questa dipendenza del movimento dallo spin sarebbe un fenomeno totalmente nuovo. L'ipotesi di partenza vede un gran numero di GEODEs formarsi in un'epoca in cui l'universo aveva meno del 2% dell'età attuale: gli oggetti si sarebbero cibati di altre stelle e di gas interstellare, iniziando a ruotare molto rapidamente fino a respingersi. Questo evento avrebbe creato una distribuzione di GEODEs molto diversa da quella galattica e questo giustificherebbe la loro posizione nei vuoti. Anche il numero di GEODEs necessario per far funzionare il modello sarebbe in linea con il numero delle stelle presenti al tempo richiesto (Implications of Symmetry and Pressure in Friedmann Cosmology. III. Point Sources of Dark Energy that Tend toward Uniformity - K. S. Croker et al. - The Astrophysical Journal - 2020).
Il risultato si applica anche alla fusione di oggetti compatti come quelli captati dagli interferometri LIGO e Virgo: questi sistemi di buchi neri con masse decisamente elevate (di cinque volte) rispetto a quanto atteso da una stella collassata potrebbe in effetti essere legata ai GEODEs, i quali crescono insieme all'universo durante il tempo che porta alla collisione. Al momento della collisione, le masse risultanti diventano da 4 a 8 volte più grandi, in perfetta sintonia con le risultanze degli interferometri (K. S. Croker et al. Implications of Symmetry and Pressure in Friedmann Cosmology. I. Formalism, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab32da).
Ultimo aggiornamento del: 02/09/2020 13:15:40