Energia oscura? No, grazie

Uno studio teorico, pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ricostruisce l’evoluzione dell’universo seguendo il cambiamento nel tempo della sua struttura a larga scala. Grazie a questo accorgimento, dicono gli autori, è possibile spiegare l’espansione accelerata senza ricorrere a una componente di energia oscura.

 

Nell’immagine una simulazione della struttura su larga scala dell’Universo rivela la rete cosmica di galassie, disposte lungo filamenti, e le vaste regioni di vuoto. Crediti: Nico Hamaus, Universitäts-Sternwarte München, Ohio State University
Nell’immagine una simulazione della struttura su larga scala dell’Universo rivela la rete cosmica di galassie, disposte lungo filamenti, e le vaste regioni di vuoto. Crediti: Nico Hamaus, Universitäts-Sternwarte München, Ohio State University

La componente dominante del nostro Universo, la cosiddetta energia oscura, potrebbe non esistere affatto. Ad affermarlo è uno studio, firmato da un team internazionale, uscito sull’ultimo numero della rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. I ricercatori ritengono che i modelli standard non tengano conto di come cambia la struttura del cosmo nel tempo, ma che una volta incluso questo elemento l’energia oscura non sia più necessaria per spiegarne l’evoluzione.

Il nostro universo si è formato 13.8 miliardi di anni fa, e da allora sta continuando ad espandersi. Una delle prove più solide a sostegno di questa tesi è il fatto che le galassie si allontanano tra loro seguendo la legge di Hubble, ovvero con velocità direttamente proporzionali alla propria distanza. La mappatura delle velocità delle galassie è uno studio che copre ormai un secolo di astronomia, e che ha portato gli scienziati a consolidare l’idea di un universo in espansione continua.

Negli anni ‘90, l’osservazione di un certo tipo di supernove grazie alle quali è possibile risalire alla distanza della galassia ospite, gli astronomi hanno capito che l’Universo non solo si sta espandendo, ma lo sta facendo anche in maniera accelerata. In quegli anni si è capito che per spiegare il comportamento delle galassie era necessario introdurre una componente sconosciuta, che è stata chiamata energia oscura, responsabile dell’accelerazione.

Il nuovo studio è stato guidato da Gábor Rácz, dottorando della Eötvös Loránd University in Ungheria, e mette in discussione l’esistenza dell’energia oscura suggerendo una spiegazione alternativa. I ricercatori sostengono che i modelli cosmologici convenzionali non prendono in considerazione la struttura a grande scala dell’Universo, dove si assume che la materia abbia una densità uniforme.

«Le equazioni della relatività generale di Einstein che descrivono l’espansione dell’universo sono così complesse matematicamente che per circa un centinaio di anni non sono state soluzioni che tenessero conto delle strutture cosmiche», spiega László Dobos, ricercatore della Eötvös Loránd University e coautore dello studio. «Sappiamo da alcune misure molto precise di supernove che l’universo sta accelerando, ma allo stesso tempo ci affidiamo ad approssimazioni grossolane delle equazioni di Einstein che potrebbero introdurre effetti importanti, come la necessità di una componente di energia oscura».

Un fermo immagine di un’animazione che mostra l’espansione dell’universo nel modello cosmologico standard con materia oscura fredda ed energia oscura (pannello in alto a sinistra, colore rosso), con il nuovo modello che considera la struttura globale dell’Universo ed elimina la necessità di energia oscura (pannello centrale, in blu), e il modello Einstein-de Sitter originale senza materia oscura (pannello a destra, in verde). Il pannello in basso mostra l’aumento del fattore di scala in funzione del tempo (1 G year corrisponde a un miliardo di anni). Le unità di scala nei pannelli in alto sono espresse in Megaparsec, dove un Megaparsec corrisponde a circa 3 milioni di anni luce. Clicca sull’immagine per vederla ad alta risoluzione. Crediti: István Csabai et al.
Un fermo immagine di un’animazione che mostra l’espansione dell’universo nel modello cosmologico standard con materia oscura fredda ed energia oscura (pannello in alto a sinistra, colore rosso), con il nuovo modello che considera la struttura globale dell’Universo ed elimina la necessità di energia oscura (pannello centrale, in blu), e il modello Einstein-de Sitter originale senza materia oscura (pannello a destra, in verde). Il pannello in basso mostra l’aumento del fattore di scala in funzione del tempo (1 G year corrisponde a un miliardo di anni). Le unità di scala nei pannelli in alto sono espresse in Megaparsec, dove un Megaparsec corrisponde a circa 3 milioni di anni luce. Clicca sull’immagine per vederla ad alta risoluzione. Crediti: István Csabai et al.

La materia ordinaria e quella oscura si distribuiscono nel cosmo su una struttura simile a una ragnatela, addensate in filamenti composti dai superammassi di galassie. Al di fuori dei filamenti si creano vere e proprie bolle prive di materia. Utilizzando una simulazione al computer per modellare l’effetto della gravità su questa struttura, gli scienziati hanno potuto ricostruire l’evoluzione dell’Universo, a partire dai primi aggregati di materia per arrivare fino a oggi.

A differenza delle simulazioni convenzionali, dove si considera un universo in costante e uniforme espansione, questo nuovo modello prende in considerazione tutta la struttura, e questo fa sì che diverse regioni si espandano con velocità differenti. Il tasso di espansione medio rimane coerente con le osservazioni attuali, ovvero con un’espansione complessivamente accelerata.

«La teoria della relatività generale è fondamentale per la comprensione del modo in cui l’universo evolve. Non abbiamo messo in discussione la sua validità, ma quella delle sue soluzioni approssimate», aggiunge Dobos. «I nostri risultati si basano su una congettura matematica che permette la dilatazione differenziale dello spazio, in pieno accordo con la relatività generale, e mostrano come la formazione di strutture complesse della materia influisce sull’espansione. In passato questi problemi sono stati nascosti sotto al tappeto, ma prendendoli in considerazione è possibile spiegare l’accelerazione senza bisogno dell’energia oscura».

Se questa ipotesi venisse confermata, potrebbe avere un impatto molto forte sui modelli cosmologici e in vari campi di ricerca della fisica. Negli ultimi 20 anni gli astronomi e i fisici teorici si sono scervellati per comprendere la natura dell’energia oscura, che ad oggi rimane un mistero irrisolto. Con il loro nuovo modello, Rácz e colleghi sperano per lo meno di avviare un dibattito su questo tema.

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8 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Potremmo dunque sbarazzarci dell'energia oscura raffinando le nostre simulazioni. E magari, finirà per sparire anche la materia oscura...

  2. Intanto questi ricercatori mostrano di avere una certa furbizia. Infatti non contestano Einstein, ma le approssimazioni che hanno portato al bisogni di Energia Oscura. Una domanda (al di là dell'esistenza o meno di D.E. e D.M.): In una certa misura la materia oscura controbilancerebbe in parte l'energia oscura? E questo potrebbe, con diverse distribuzioni, portare ad un rapporto più equilibrato tra materia barionica e materia oscura? Su Coelum parla di Vera Rubin e di Materia oscura molto diffusamente.

  3. Questo studio è molto promettente per due motivi principali: il primo è che spiega bene i dati e che si avrà modo di vincolarlo rispetto al Lambda CDM con le future osservazioni, ed il secondo è che è effettivamente nient'altro che una rappresentazione meno approssimata di quello che considera Lambda CDM.

    L'idea alla base è semplice ma anche molto ragionevole. Invece di tenere conto di un Universo come un tutt'uno, si considerano dei sottoinsiemi (mini Universi), ognuno dei quali viene considerato con le classiche leggi di evoluzione, cioè tramite il fattore scala e le equazioni di Friedmann. Si calcola poi un fattore di scala medio tra tutti i mini Universi considerati, che tiene conto delle varie distribuzioni di massa contenute in ciascun mini Universo. La cosa sorprendente è che già questa realizzazione cambia notevolmente il risultato finale.

    La forza di questo modello sta proprio nella semplicità con cui viene ricavato e sono abbastanza certo che l'idea che sta alla base, se non addirittura il modello stesso, verrà portata avanti. In effetti come più volte si è discusso, non ha molto senso affidarsi al principio cosmologico, non più adesso che abbiamo una idea abbastanza dettagliata di come la materia si distribuisca su larga scala...

  4. Il box totale è di 480 milioni di anni luce di lato, che poi è stato a sua volta suddiviso in sottoparti.
    Si deve chiaramente fare il calcolo tenendo conto dell'istante di tempo a cui si fa riferimento. Dal momento che comunque ogni porzione è governata da una sua equazione di Friedmann, questo non risulta un problema di per sè, perchè sai come la sua espansione si evolve ad ogni istante e quindi puoi calcolarlo.
    Quello che han fatto è stato ricostruire l'espansione al tempo odierno, cioè dopo 13,8 miliardi di anni.

  5. @Enrico Corsaro sarà interessante capire perché introdurre una densità media della materia nell'intero universo abbia portato a risultati così diversi. Poi se l'energia oscura (il 69% del totale) entra nel calcolo della densità media, come dovrebbe essere, si capisce perché si possa passare dal 69% al totale annullamento. Se poi aggiungiamo la materia oscura...sempre più dalle parti di @Red Hanuman (solo "roba" barionica).

  6. Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    @Enrico Corsaro sarà interessante capire perché introdurre una densità media della materia nell'intero universo abbia portato a risultati così diversi.
    Capirlo in dettaglio è difficile perchè la stessa distribuzione di materia è complessa, ma questo ti fa capire già che l'assunzione di omogeneità è sbagliata. Se l'Universo fosse stato realmente omogeneo, allora avremmo dovuto ottenere risultati molto simili sia prendendolo come un intero, sia suddividendolo in sotto parti.

    Ci sono anche altri studi che vanno in direzioni simili, che stanno cercando di sviluppare le equazioni di campo includendo anche termini di secondo ordine. Insomma l'idea generale è che il problema energia oscura sia "semplicemente" un artefatto causato da una nostra visione troppo semplificata dell'Universo.

    Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    Poi se l'energia oscura (il 69% del totale) entra nel calcolo della densità media, come dovrebbe essere, si capisce perché si possa passare dal 69% al totale annullamento. Se poi aggiungiamo la materia oscura...sempre più dalle parti di @Red Hanuman (solo "roba" barionica).
    L'energia oscura rientrerebbe nel totale di densità solo ed esclusivamente per spiegare quella parte mancante che supera la densità critica richiesta per avere una espansione accelerata. Se l'espansione accelerata può invece essere spiegata senza termini aggiuntivi, chiaramente l'energia oscura decade.

    Secondo me si è trovata finalmente la strada giusta, però prima di esultare saranno necessarie missioni come Euclid, con nuove misure sulle distribuzioni di materia che ci permetteranno di vincolare i modelli con un livello di confidenza che non lascerà spazio ad alcun dubbio.