Nuovo modello della “viscosità” cosmica favorisce la scomparsa dell’universo in un ‘Big Rip’

I matematici ed i fisici hanno formulato un nuovo approccio per il calcolo della viscosità cosmica e la questo depone a favore del ‘Big Rip’ alla fine dell’universo.

Schema di linea temporale della vita dell'universo, che termina in un Big Rip. Credit: Jeremy Teaford, Vanderbilt University
Schema di linea temporale della vita dell’universo, che termina in un Big Rip.
Credit: Jeremy Teaford, Vanderbilt University

L’universo può essere un posto molto appiccicoso, ma quanto appiccicoso è una questione dibattuta.

Questo perché per decenni i cosmologi hanno avuto difficoltà a conciliare la nozione classica di viscosità in base alle leggi della termodinamica con la teoria generale della relatività di Einstein. Tuttavia, una squadra della Vanderbilt University ha messo a punto una formulazione matematica radicalmente nuova del problema che sembra colmare questa lacuna di vecchia data.

La nuova formulazione ha delle implicazioni significative per il destino ultimo dell’universo. Tende infatti a favorire uno degli scenari più radicali che i cosmologi hanno escogitato, noto come il “Big Rip”. Essa può anche gettare una nuova luce sulla natura di fondo dell’energia oscura.

Il nuovo approccio è stato sviluppato dal docente di matematica Marcelo Disconzi, in collaborazione con i docenti di fisica Thomas Kephart e Robert Scherrer, ed è descritta in un articolo pubblicato all’inizio di quest’anno sulla rivista Physical Review D .

“Marcelo ha messo a punto una formulazione più semplice e più elegante che è matematicamente solida e che rispetta tutte le leggi fisiche in vigore”, ha detto Scherrer.

Il tipo di viscosità che ha rilevanza cosmologica è diversa dalla forma familiare “alla ketchup” della viscosità, che si chiama “viscosità di taglio” ed è una misura della resistenza di un fluido a scorrere attraverso piccole aperture, come il collo di una bottiglia di ketchup. Invece, la viscosità cosmologica è una forma di viscosità del volume, cioè la misura della resistenza di un fluido all’espansione o contrazione. Il motivo per cui non abbiamo spesso a che fare con viscosità del volume nella vita di tutti i giorni è perché la maggior parte dei liquidi che incontriamo non possono essere compressi o espansi molto.

Disconzi iniziato affrontando il problema dei fluidi relativistici. Tra gli oggetti astronomici in cui si generano questi fenomeni si includono le supernovae (stelle che esplodono) e le stelle di neutroni (stelle che sono stati compresse fino alla dimensione dei pianeti).

Gli scienziati hanno avuto un notevole successo nel creare modelli di cosa accade quando fluidi ideali – che per definizione non hanno viscosità – sono accelerati a velocità vicine a quelle della luce. Ma quasi tutti i fluidi sono viscosi in natura e, nonostante decenni di sforzi, nessuno è riuscito a trovare un modo generalmente accettato di simulare fluidi viscosi che viaggiano a velocità relativistiche. In passato, i modelli formulati per prevedere cosa accade quando questi fluidi più realistici vengono accelerati ad una frazione della velocità della luce sono stati afflitti da incongruenze: la più evidente delle quali è stato predire determinate condizioni in cui questi fluidi potevano viaggiare più veloci della luce.

“Questo è disastrosamente sbagliato”, ha detto Disconzi, “dal momento che è ben dimostrato sperimentalmente che nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce.”

Questi problemi hanno ispirato il matematico a riformulare le equazioni della fluidodinamica relativistica in un modo tale che non si presenti il difetto di permettere velocità superiori a quella della luce. Egli ha basato il suo approccio su quello che è stato sviluppato nel 1950 dal matematico francese André Lichnerowicz.

Poi, Disconzi ha collaborato con Kephart e Scherrer per applicare le sue equazioni ad una teoria cosmologica più generale. Ciò ha prodotto una serie di risultati interessanti, tra cui alcuni nuove potenziali intuizioni sulla natura della misteriosa energia oscura.

Negli anni ‘90, la comunità dei fisici è rimasta scioccata quando misurazioni astronomiche hanno mostrato che l’universo si sta espandendo a un ritmo sempre più accelerato. Per spiegare questa accelerazione imprevista, sono stati costretti a ipotizzare l’esistenza di una forma sconosciuta di energia repulsiva che si sviluppava in tutto l’universo. Poiché sapevano così poco di essa, l’hanno chiamata “energia oscura”.

La quasi totalità delle teorie sull’energia oscura finora non ha preso in considerazione la viscosità cosmica, nonostante il fatto che essa abbia un effetto repulsivo sorprendentemente simile a quello dell’energia oscura. “E ‘possibile, ma non molto probabile, che la viscosità possa spiegare tutta l’accelerazione che è stata attribuita all’energia oscura”, ha detto Disconzi. “È più probabile che una frazione significativa dell’accelerazione possa essere dovuta a questa causa più prosaica. In sintesi, la viscosità può agire come un importante vincolo sulle proprietà dell’energia oscura.”

Un altro risultato interessante riguarda il destino ultimo dell’universo. Dalla scoperta dell’espansione accelerata dell’universo, i cosmologi hanno creato una serie di scenari drammatici su ciò che questo potrebbe significare per il futuro.

Uno scenario, soprannominato “Big Freeze” ovvero il “grande gelo”, prevede che dopo 100.000 miliardi di anni o giù di lì l’universo sarà cresciuto così enormemente che il gas presente diventerà troppo rarefatto per poter formare le stelle. Ciò comporterebbe che le stelle esistenti gradualmente si estingueranno, lasciando solo buchi neri, che, a loro volta, lentamente evaporeranno man mano che lo spazio stesso diventerà sempre più freddo.

Uno scenario ancora più radicale è il cosiddetto “Big Rip”, ossia “il grande strappo”. Esso si basa su un tipo di energia oscura “ipotetica”, che diventa sempre più forte nel tempo. In questo caso, il tasso di espansione dell’universo diventa così grande che in 22 miliardi di anni o giù di lì gli oggetti materiali cominciano a cadere a pezzi ed singoli atomi si disintegrano in particelle elementari non legate e radiazioni.

Il valore “chiave” coinvolto in questo scenario è il rapporto tra la pressione e la densità di energia oscura, cioè il cosiddetto “parametro dell’equazione di stato”. Se questo valore scende al di sotto -1 allora l’universo finirà per essere smembrato. I cosmologi hanno chiamato questo parametro la “barriera fantasma.” Nei modelli che precedentemente consideravano la viscosità, l’universo non poteva evolvere al di là di questo limite.

Nella formulazione di Desconzi-Kephart-Scherrer, tuttavia, questa barriera non esiste. Anzi, essa fornisce un modo naturale per cui il parametro dell’equazione di stato cada al di sotto -1.

“Nei modelli precedenti comprendenti la viscosità, il Big Rip non è possibile”, ha detto Scherrer. “In questo nuovo modello, invece, la viscosità effettivamente porta l’universo verso questo stato estremo.”

Secondo gli scienziati, i risultati della loro analisi con “penna e carta” di questa nuova formulazione della viscosità relativistica sono molto promettenti, ma un’analisi molto più profonda deve essere effettuata per determinarne la sua aderenza alla realtà. L’unico modo per farlo è quello di utilizzare i computer più potenti per analizzarne numericamente le complesse equazioni. In tal modo gli scienziati possono fare previsioni che possono essere comparate con esperimenti e osservazioni.

La ricerca è stata sostenuta dal National Science Foundation con borsa di studio 1305705 e Dipartimento dell’Energia con borsa di studio DE-SC0011981..

 

Articolo originale QUI. Altro articolo di media INAF QUI.

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23 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Dall'art. "Invece, la viscosità cosmologica è una forma di viscosità del volume, cioè la misura della resistenza di un fluido all’espansione o contrazione."
    Da questa definizione sembrerebbe che la "viscosità" si opponga a qualsiasi cambiamento di dimensione dell'universo e all'interno dell'universo stesso, come può sostituirsi, anche se in parte, all'energia oscura?

  2. Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    Dall'art. "Invece, la viscosità cosmologica è una forma di viscosità del volume, cioè la misura della resistenza di un fluido all’espansione o contrazione."
    Da questa definizione sembrerebbe che la "viscosità" si opponga a qualsiasi cambiamento di dimensione dell'universo e all'interno dell'universo stesso, come può sostituirsi, anche se in parte, all'energia oscura?
    Dice infatti resistenza o all'espansione oppure alla contrazione. In pratica può essere una resistenza in negativo, che fa si che il volume dell'Universo tenda ad espandersi sempre più velocemente, contrastando di per sè ogni forma di contrazione. Quindi è un concetto di viscosità più generalizzato, per così dire, visto in un contesto cosmologico. Potrebbe dunque essere una interpretazione dell'energia oscura, una viscosità che porta ad un effetto antigravitazionale, e se così fosse sarebbe una grande scoperta.
    Il lavoro è molto affascinante ed ingegnoso, staremo a vedere se avrà ulteriori sviluppi futuri.

    Un commento invece sull'articolo.
    Sui tempi indicati per il Big Freeze rimango un pò perplesso. 100 mila miliardi di anni mi sembrano una enormità sproporzionata e ricordavo che di fatto questo tempo era stato calcolato pari ad altri 11 miliardi di anni, qualcosa è da rivedere.

  3. D'altra parte 11 miliardi di anni sembrano un soffio in questo contesto. Significherebbe che noi siamo già oltre metà della vita dell universo!!!

    Comunque @Enrico Corsaro, sia Big rip sia Big freeze significano espansione infinita, la prima accelerata la seconda no. In genere tu dici che l infinito (come la singolarità) non è un concetto fisico ma matematico.
    Voi del settore cosa ne pensate di questa espansione infinita: può essere che sia solo una soluzione alternativa perchè ancora non si conosce una migliore risposta, oppure davvero il volume crescerà all infinito?
    Sembra inimmaginabile che davvero l universo possa svuotarsi da materia e radiazione e crescere in eterno... Cioè... l eternità è lunghissima... "soprattutto verso la fine"
    (come disse Woody Allen).

  4. Chissà perchè quest'articolo mi fa tornare alla mente quel bellisimo libro di Clifford Simak "Mondi Senza Fine" letto qualche... meglio non fare i conti

  5. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    D'altra parte 11 miliardi di anni sembrano un soffio in questo contesto. Significherebbe che noi siamo già oltre metà della vita dell universo!!!

    Comunque @Enrico Corsaro, sia Big rip sia Big freeze significano espansione infinita, la prima accelerata la seconda no. In genere tu dici che l infinito (come la singolarità) non è un concetto fisico ma matematico.
    Voi del settore cosa ne pensate di questa espansione infinita: può essere che sia solo una soluzione alternativa perchè ancora non si conosce una migliore risposta, oppure davvero il volume crescerà all infinito?
    Sembra inimmaginabile che davvero l universo possa svuotarsi da materia e radiazione e crescere in eterno... Cioè... l eternità è lunghissima... "soprattutto verso la fine"
    (come disse Woody Allen).
    Dobbiamo fare un paio di precisazioni in merito.
    Entrambi Big Freeze e Big Rip comportano espansione, ma il Big Freeze si verificherebbe comunque anche in caso di espansione accelerata, solo che appunto in tempi più brevi.
    Il secondo aspetto a cui ti riferisci, in realtà non è un tipo di problema che ha conseguenze a livello fisico. Se il nostro riferimento decade, cosa certamente che accadrà, con esso decade anche il nostro concetto di tempo e tutto ciò che ad esso è collegato. Non è una violazione della fisica avere regimi che si raggiungono in tempi arbitrariamente grandi, nè che in passato il tempo possa essere partito da una origine ben precisa. Il tempo in sè, che nasce come una coordinata, non viola questo concetto. I problemi sorgono nei casi in cui sono le proprietà fisiche della materia a divergere ad infinito, come ad esempio temperatura, densità, energia, cosa che ad esempio avverrebbe per la singolarità. Quello che va in contrasto con la fisica è rappresentato infatti dai punti di singolarità, cioè punti in cui le proprietà fisiche divergono ad infinito, cioè proprietà che si possono misurare a prescindere dal riferimento temporale in uso e quindi anche per un istante di tempo fissato.

    Matematicamente puoi studiare il sistema di espansione per una estensione arbitrariamente grande, ma sappiamo che all'atto pratico non vivremo abbastanza a lungo da poterlo misurare.
    Se preferisci, puoi assimilare fisicamente che sia utile studiare l'espansione fino ad un punto tale (finito) oltre il quale il sistema di fatto non va incontro a variazioni tali da cambiare la sua condizione fisica, cioè l'Universo deve aver raggiunto la temperatura dello zero assoluto in ogni suo punto.

  6. Vediamo se ho capito l'idea alla base di quest'articolo...
    La viscosità "negativa" aiuterebbe l'espansione accelerata collaborando con l'Energia Oscura o sostituendosi ad essa. Ma nel caso di viscosità positiva il risultato potrebbe essere un Big Crunch?
    Io preferirei questa ipotesi, l'idea che tutto si dissolve, anche se tra qualche miliardata di anni...
    Col Big Crunch l'universo potrebbe essere ciclico ed è un'idea più ottimistica

  7. Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    Vediamo se ho capito l'idea alla base di quest'articolo...
    La viscosità "negativa" aiuterebbe l'espansione accelerata collaborando con l'Energia Oscura o sostituendosi ad essa. Ma nel caso di viscosità positiva il risultato potrebbe essere un Big Crunch?
    Io preferirei questa ipotesi, l'idea che tutto si dissolve, anche se tra qualche miliardata di anni...
    Col Big Crunch l'universo potrebbe essere ciclico ed è un'ideaa più ottimistica
    Si, l'unico problema è che tutte le osservazioni supportano l'espansione accelerata. Per cui temo proprio che nessun Big Crunch avverrà...

  8. Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    Mi piacerebbe avere la tua sicurezza, io riesco solo ad avere dei grandi dubbi. Comunque i l Big Crunch prevederebbe una arresto dell'espansione e una inversione provocata dalla "vittoria" dell'effetto gravitazionale: https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Crunch
    Si so bene cosa sia, il punto è che non possiamo negare l'evidenza. A prescindere dal modello cosmologico in uso, tutti i dati che abbiamo a disposizione ci forniscono espansione in qualunque direzione, e ancor più accelerata al passare del tempo. I dati a cui mi riferisco sono detti model independent, cioè non dipendono dalle assunzioni che facciamo su come sia costituito l'Universo, non dipendono cioè da quale modello cosmologico hai scelto per rappresentarlo, ma sono misure vere e proprie. Non abbiamo dunque alcun motivo valido per credere che tutto questo si arresti improvvisamente e ritorni a collassare per effetto della gravità.