Una nuova teoria sfida il modello cosmologico standard
Una nuova teoria sfida il modello cosmologico standardLa recente “tensione di Hubble” nella cosmologia, segnata da misurazioni contrastanti del tasso di espansione dell’universo, solleva interrogativi sul modello cosmologico standard. Una nuova teoria suggerisce che un gigantesco vuoto sotto-denso potrebbe spiegare queste discrepanze, sfidando le visioni tradizionali sulla distribuzione della materia nell’universo e suggerendo una possibile revisione della teoria gravitazionale di Einstein.
Il mistero del tasso di espansione dell’universo
Uno dei più grandi misteri della cosmologia è il tasso al quale l’universo si sta espandendo. Questo può essere previsto utilizzando il modello standard di cosmologia, noto anche come Lambda-cold dark matter (ΛCDM). Questo modello si basa su osservazioni dettagliate della luce residua dal Big Bang, il cosiddetto fondo cosmico a microonde (CMB).
L’espansione dell’universo fa sì che le galassie si allontanino l’una dall’altra. Più sono lontane da noi, più velocemente si muovono. La relazione tra la velocità di una galassia e la sua distanza è governata dalla “costante di Hubble”, che è di circa 70 km al secondo per Megaparsec (un’unità di lunghezza in astronomia). Ciò significa che una galassia guadagna circa 80.000 km all’ora per ogni milione di anni luce di distanza da noi.
Tuttavia, sfortunatamente per il modello standard, questo valore è stato recentemente contestato, portando a ciò che gli scienziati chiamano la “tensione di Hubble”. Quando misuriamo il tasso di espansione utilizzando galassie vicine e supernove (stelle esplosive), è il 10% più grande di quando lo prevediamo basandoci sul CMB.
La proposta di un gigantesco vuoto spaziale
Nel nostro nuovo articolo, presentiamo una possibile spiegazione: che viviamo in un gigantesco vuoto nello spazio (un’area con densità inferiore alla media). Dimostriamo che ciò potrebbe gonfiare le misurazioni locali attraverso flussi di materia dal vuoto. I flussi si verrebbero a creare quando le regioni più dense che circondano un vuoto lo tirano a parte, esercitando una forza gravitazionale maggiore rispetto alla materia a densità inferiore all’interno del vuoto.
In questo scenario, dovremmo trovarci vicino al centro di un vuoto di circa un miliardo di anni luce di raggio e con una densità circa il 20% inferiore alla media per l’universo nel suo insieme, quindi non completamente vuoto.
Un vuoto così grande e profondo è inaspettato nel modello standard e quindi controverso. Il CMB fornisce un’istantanea della struttura nell’universo neonato, suggerendo che la materia oggi dovrebbe essere piuttosto uniformemente distribuita. Tuttavia, contando direttamente il numero di galassie in diverse regioni, sembra effettivamente che ci troviamo in un vuoto locale.
Modificare le leggi della gravità
Volevamo testare ulteriormente questa idea confrontando molte diverse osservazioni cosmologiche assumendo che viviamo in un grande vuoto che è cresciuto da una piccola fluttuazione di densità nei primi tempi.
Per fare ciò, il nostro modello non incorporava ΛCDM ma una teoria alternativa chiamata Modified Newtonian Dynamics (MOND).
MOND è stata originariamente proposta per spiegare anomalie nelle velocità di rotazione delle galassie, che è ciò che ha portato alla suggestione di una sostanza invisibile chiamata “materia oscura”. MOND suggerisce invece che le anomalie possono essere spiegate dal fatto che la legge di gravità di Newton si rompe quando la forza gravitazionale è molto debole, come nel caso delle regioni esterne delle galassie.
La storia complessiva dell’espansione cosmica in MOND sarebbe simile al modello standard, ma le strutture (come gli ammassi di galassie) crescerebbero più velocemente in MOND. Il nostro modello cattura come potrebbe apparire l’universo locale in un universo MOND. E abbiamo scoperto che consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione di oggi di fluttuare a seconda della nostra posizione.
Le recenti osservazioni delle galassie hanno permesso un nuovo test cruciale del nostro modello basato sulla velocità che prevede in diverse località. Questo può essere fatto misurando qualcosa chiamato flusso di massa, che è la velocità media della materia in una sfera data, densa o meno. Questo varia con il raggio della sfera, con osservazioni recenti che mostrano che continua fino a un miliardo di anni luce.
Interessantemente, il flusso di massa delle galassie su questa scala ha una velocità quadrupla rispetto a quella prevista nel modello standard. Sembra anche aumentare con la dimensione della regione considerata, al contrario di ciò che prevede il modello standard. La probabilità che ciò sia coerente con il modello standard è inferiore a uno su un milione.
Ciò ci ha spinto a vedere cosa prevedeva il nostro studio per il flusso di massa. Abbiamo scoperto che produce un abbinamento piuttosto buono con le osservazioni. Ciò richiede che siamo abbastanza vicini al centro del vuoto e che il vuoto sia più vuoto al suo centro.
Il caso è chiuso?
I nostri risultati arrivano in un momento in cui le soluzioni popolari alla tensione di Hubble sono in difficoltà. Alcuni credono che abbiamo solo bisogno di misurazioni più precise. Altri pensano che possa essere risolto assumendo che l’alto tasso di espansione che misuriamo localmente sia effettivamente quello corretto. Ma ciò richiederebbe una leggera modifica della storia dell’espansione nell’universo primordiale affinché il CMB appaia ancora corretto.
Sfortunatamente, una recensione influente evidenzia sette problemi con questo approccio. Se l’universo si fosse espanso del 10% più velocemente per la stragrande maggioranza della storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% più giovane, contraddicendo l’età delle stelle più antiche.
L’esistenza di un vuoto locale profondo ed esteso nel conteggio delle galassie e nei rapidi flussi di massa osservati suggerisce fortemente che la struttura cresce più velocemente del previsto in ΛCDM su scale di decine a centinaia di milioni di anni luce.
Interessantemente, sappiamo che l’ammasso di galassie massiccio El Gordo (vedi immagine sopra) si è formato troppo presto nella storia cosmica e ha una massa e una velocità di collisione troppo elevate per essere compatibili con il modello standard. Questa è un’ulteriore prova che la struttura si forma troppo lentamente in questo modello.
Poiché la gravità è la forza dominante su scale così grandi, è molto probabile che dobbiamo estendere la teoria della gravità di Einstein, la Relatività Generale, ma solo su scale maggiori di un milione di anni luce.
Tuttavia, non abbiamo un buon modo per misurare come si comporta la gravità su scale molto più grandi, non ci sono oggetti gravitazionalmente legati così enormi. Possiamo assumere che la Relatività Generale rimanga valida e confrontarla con le osservazioni, ma è proprio questo approccio che porta alle tensioni molto gravi attualmente affrontate dal nostro miglior modello di cosmologia.
Einstein si pensa abbia detto che non possiamo risolvere i problemi con lo stesso pensiero che ha portato ai problemi in primo luogo. Anche se i cambiamenti richiesti non sono drastici, potremmo benissimo assistere alla prima prova affidabile da più di un secolo che dobbiamo cambiare la nostra teoria della gravità.