Melting pot: transizioni di fase, energia oscura e costante di Hubble

Come sapete,  negli ultimi anni novanta le osservazioni delle supernovae di tipo I-A portarono gli scienziati a ipotizzare che l’espansione dell’universo fosse in accelerazione.

Successive osservazioni dell’anisotropia della radiazione cosmica di fondo, nuove scoperte sull’età dell’universo e sulla composizione relativa dei vari elementi nati nella nucleosintesi primordiale, l’osservazione della struttura a grande scala dell’Universo e degli ammassi di galassie ed infine le misurazioni della costante di espansione di Hubble portarono alla nascita del modello Lambda-CDM, in cui la presenza di una misteriosa energia “oscura” (riassunta in una costante Λ inserita nelle equazioni di campo della relatività generale) contribuiva con una altrettanto misteriosa materia “oscura” fredda a spiegare perchè l’universo ci appare così come lo vediamo.

Qualcosa però sembra non funzionare: negli ultimi anni diversi modi di misurare la costante di Hubble portano a risultati leggermente differenti, che però non possono essere spiegati da errori di misura sottostanti.  Deve quindi esserci qualcosa che non capiamo in questo modello, magari una fisica nuova.

Se evitiamo di infilarci in una lunga discussione sull’esistenza o meno della materia e dell’energia oscura, e le diamo come assodate, una spiegazione potrebbe essere stata trovata da un gruppo di cosmologi dell’Università della Danimarca meridionale (SDU).

L’universo evolve: le transizioni di fase

Il sogno di tutti i fisici moderni è quello di arrivare ad una “teoria della grande unificazione“, o GUT (Grand Unified Theory) in cui le forze fondamentali (elettromagnetica, forza forte e forza debole, ed eventualmente anche la forza gravitazionale)  siano riassumibili in un solo colpo d’occhio.

Per spiegare come mai le quattro forze siano attualmente separate, si suppone che con la diminuzione della temperatura e della densità di energia dell’universo si siano verificate delle “rotture spontanee di simmetria“, ovvero si siano create delle condizioni in cui gli iniziali attributi di conservazione delle proprietà dell’universo siano poi mutati verso un sistema in cui siano prevalsi alcuni status piuttosto che altri. Si passa dunque da un sistema in cui le forze si comportano in modo equivalente, ad uno in cui si differenziano.

La premessa di base della grande unificazione è che le simmetrie note delle forze fondamentali derivino da un gruppo di simmetria più grande (e finora sconosciuto). L’universo avrebbe perso la sua iniziale simmetria attraverso dei cosiddetti “passaggi di fase”, cioè dei relativamente rapidi cambi di geometria e proprietà.

Ogni volta che si verifica una transizione di fase, parte di questa simmetria viene persa, quindi il gruppo di simmetria cambia.

Una analogia la possiamo fare esaminando il comportamento dell’acqua. La fase liquida dell’acqua è rotazionalmente simmetrica, cioè la sua forma è sempre la stessa indipendentemente dalla direzione in cui guardiamo.  La forma solida dell’acqua gelata, tuttavia, non è uniforme in tutte le direzioni; il cristallo di ghiaccio ha direzioni reticolari preferenziali lungo le quali si allineano le molecole d’acqua. Attraverso il processo di congelamento, quindi, la simmetria originale viene persa.

Il significato cosmologico della rottura della simmetria è dovuto al fatto che le simmetrie vengono ripristinate ad alta temperatura (proprio come lo è per l’acqua liquida quando il ghiaccio si scioglie). Per temperature estremamente elevate nell’Universo primordiale, raggiungeremo anche un grande stato unificato. Visto dal momento della creazione in avanti, l’Universo passerà attraverso una successione di transizioni di fase in cui le forze si differenzieranno l’una dall’altra.

Le transizioni di fase possono avere un’ampia varietà di importanti implicazioni,  possono per esempio innescare un periodo di espansione esponenziale ( inflazione ).

E qui si inseriscono le ipotesi del gruppo di studio danese…

Una nuova e giovane energia oscura

Nel modello creato da questo gruppo di ricercatori, “un nuovo tipo di energia oscura extra nell’universo primordiale, spiegherebbe sia la radiazione di fondo che le misurazioni delle supernove, contemporaneamente e senza contraddizioni”.

Dice il dott. Martin S. Sloth, a capo del gruppo di studio:

“Crediamo che nell’universo primordiale, l’energia oscura esistesse in una fase diversa. L’energia oscura nel nostro modello subisce una transizione verso una nuova fase con una densità di energia inferiore, cambiando così l’effetto dell’energia oscura sull’espansione dell’universo”.

Secondo i calcoli, i risultati collimano perfettamente se si immagina che l’energia oscura abbia subito una transizione di fase innescata dall’espansione dell’universo.

Tali transizione di fase (“di primo ordine”) avvengono attraverso la formazione di bolle della nuova fase nel mezzo della vecchia fase; queste bolle poi si espandono e si scontrano fino a quando la vecchia fase scompare completamente e la transizione di fase è completa. Un cambiamento piuttosto disomogeneo e violento.

Vedremo se questa ipotesi troverà il sostegno delle prove. Al momento, però, è un elegante esercizio di stile.

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