Gli scienziati hanno creduto che la continua espansione dell'universo sia stata guidata da una forza chiamata energia oscura, ma l'idea di una nuova energia oscura "precoce" potrebbe aiutare a spiegare questa idea? National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory/Wikimedia Commons (CC BY 4.0) Da più di un secolo, gli scienziati sapevano che l'universo si è espanso dal big bang, l'evento primordiale che ha dato inizio a tutto 13,8 miliardi di anni fa.
Ma così lontano, non sono stati in grado di risolvere un problema complicato. Quanto velocemente si sta espandendo? Questo perché c'è una disparità tra il tasso stimato basato sulle radiazioni rimaste dal big bang, noto come fondo cosmico a microonde, o CMB in gergo scientifico, e il ritmo significativamente più veloce basato sulle osservazioni delle supernove. Il tasso di espansione dell'universo è noto come la costante di Hubble, quindi la disparità viene definita "tensione di Hubble".
Gli scienziati hanno creduto che la continua espansione dell'universo sia stata guidata da una forza chiamata energia oscura, che sembra aver iniziato a invertire la decelerazione dell'universo 7 o 8 miliardi di anni dopo il big bang.
"L'energia oscura è un'ipotetica fonte di energia nell'universo di oggi che, secondo la nostra migliore comprensione dell'universo comprende circa il 70 percento dell'energia totale nell'universo, " spiega Glenn Starkman, un distinto professore universitario e co-presidente del dipartimento di fisica della Case Western Reserve University.
"La prova principale della sua esistenza è l'espansione accelerata dell'universo che sembra essere andata avanti negli ultimi miliardi di anni, " dice Starkman. "Per guidare una tale espansione è necessaria una fonte di energia che non diventi più diluita (o si diluisce molto poco) man mano che l'universo si espande. Ciò esclude la maggior parte delle fonti di energia, ad es. materia ordinaria, o materia oscura, entrambi i quali diventano meno densi man mano che l'universo diventa più grande. Il modello più semplice dell'energia oscura è che è la densità di energia immutabile associata allo spazio vuoto. Come tale, se lo spazio si espande, la densità dell'energia oscura rimarrebbe costante."
Ma, ci sono molte cose che non sono spiegate sull'energia oscura, compreso il motivo per cui non è sempre esistito. E anche l'inclusione dell'energia oscura nel modello standard non risolve la disparità tra le due misurazioni dell'espansione cosmica.
Ma due nuovi, studi ancora da pubblicare, entrambi basati su dati raccolti tra il 2013 e il 2016 dall'Atacama Cosmology Telescope (ACT), può aiutare a indicare una possibile soluzione per un problema. I ricercatori credono di aver trovato tracce di un tipo di energia oscura "precoce" che esisteva nei primi 300, 000 anni dopo il big bang. Questo recente articolo su Nature di Davide Castelvecchi ha pubblicizzato per primo i due giornali, uno dal team ACT e l'altro da un gruppo indipendente che includeva Vivian Poulin, un astrofisico dell'Università di Montpellier in Francia, e i colleghi Tristian L. Smith e Alexa Bartlett dello Swarthmore College.
L'idea della prima energia oscura inizialmente è stata proposta alcuni anni fa da Poulin, poi borsista post-dottorato alla Johns Hopkins University, Smith e colleghi, come un modo per risolvere la questione.
"La prima energia oscura è una proposta per un'altra forma di energia oscura, cioè., non ovviamente correlato all'energia oscura che causa l'espansione accelerata di oggi, " spiega Starkman. EDE "avrebbe avuto un ruolo importante nell'universo molto tempo fa, quando l'universo aveva circa 10 anni, 000 volte più piccolo e più caldo di quanto non sia attualmente." È un concetto, lui dice, che "è stato ideato per risolvere alcuni misteriosi disaccordi sulla storia del tasso di espansione dell'universo".
Come spiega l'articolo sulla natura, la prima energia oscura non sarebbe stata abbastanza forte da causare l'espansione accelerata dell'universo miliardi di anni dopo. Anziché, lo avrebbe indirettamente influenzato, provocando la mescolanza di particelle elementari, o plasma, formato poco dopo il big bang, per raffreddarsi più velocemente. Quella, a sua volta, influenzerebbe il modo in cui dovrebbe essere misurato il fondo cosmico a microonde - in particolare le misurazioni dell'età e del tasso di espansione dell'universo basate su quanto lontano potrebbero viaggiare le onde sonore nel plasma prima che si raffreddi in gas - e si tradurrà in un tasso di espansione più veloce che è più vicino a ciò che gli astronomi calcolano in base agli oggetti celesti.
L'energia oscura precoce è una soluzione teorica complicata, ma "è l'unico modello che possiamo mettere al lavoro, come Mark Kamionkowski, fisico teorico della Johns Hopkins University, uno degli autori del primo articolo sull'energia oscura del 2018, spiegato alla Natura.
I due studi potrebbero aiutare a rafforzare la tesi dell'energia oscura precoce, ma uno dei ricercatori coinvolti afferma di non essere ancora del tutto convinto e avverte che è necessario più lavoro per giungere a una conclusione chiara.
"Sono stato scettico riguardo ai primi modelli di energia oscura a causa dei problemi che devono affrontare nel far combaciare le misurazioni ad alta precisione della distribuzione su larga scala delle galassie e della materia nell'universo ("struttura su larga scala", o LSS), " assistente professore di fisica della Columbia University J. Colin Hill, coautore dello studio del team ACT, note in una e-mail. (La messa in discussione del concetto da parte di Hill si riflette in questo documento di cui è coautore nel 2020, e anche in un documento successivo, e cita anche un altro articolo di altri ricercatori che solleva complicazioni simili.)
"Il risultato dei tre documenti collegati sopra è che i primi modelli di energia oscura che si adattano ai dati CMB e al Riess, et al., I dati H0 producono previsioni per LSS che non corrispondono ai dati di questi sondaggi, " Hill scrive nell'e-mail. "Così, abbiamo concluso che è probabilmente necessario un modello teorico diverso, o almeno qualche modifica dello scenario iniziale dell'energia oscura."
Nel nuovo studio appena pubblicato dai colleghi di Hill e ACT, non hanno considerato i dati LSS nell'analisi, e invece si è concentrato quasi esclusivamente sui dati CMB. "L'obiettivo era davvero vedere se i dati di Planck e ACT CMB davano risultati coerenti nel contesto dell'energia oscura iniziale. Abbiamo scoperto che danno risultati leggermente diversi, che è un grande enigma che ora stiamo lavorando duramente cercando di capire. Dal mio punto di vista, il problema LSS per lo scenario iniziale dell'energia oscura rimane irrisolto".
"Inoltre, i dati di Planck da soli (che rimangono il set di dati più preciso in cosmologia) non mostrano una preferenza per l'energia oscura primitiva, " Hill spiega. "Così, nonostante i suggerimenti che abbiamo visto nei dati ACT per l'energia oscura precoce, Rimango cauto sul fatto che questo modello possa davvero essere la storia finale. Avremo bisogno di più dati per scoprirlo".
Se esistesse, la prima energia oscura sarebbe stata simile alla forza che si crede guidi l'attuale tasso di espansione dell'universo. Ma richiederebbe comunque un significativo ripensamento del modello teorico.
"La differenza principale è che questa prima energia oscura deve svolgere un ruolo solo per un breve periodo nella storia cosmica, e poi deve 'svanire', " Hill dice. "Per raggiungere questo obiettivo, costruiamo modelli di fisica delle particelle di un nuovo campo (tecnicamente, un campo di tipo assionico) che agisce per accelerare brevemente l'espansione dell'universo prima della ricombinazione, ma poi svanisce rapidamente e diventa irrilevante."
"In contrasto, l'attuale quadro principale per l'energia oscura standard è che è semplicemente una costante cosmologica, probabilmente originato dall'energia del vuoto, " Hill continua. "Questa forma di energia non cambia con il tempo. È possibile, però, che l'energia oscura standard potrebbe essere dovuta a qualche nuovo campo fondamentale che non abbiamo ancora capito. In questo caso, potrebbe benissimo evolversi nel tempo, e potrebbe quindi avere qualche somiglianza con il primo modello di energia oscura discusso sopra."
"Ancora, avremo bisogno di più dati per sondare queste domande in modo più preciso, e speriamo di trovare risposte nel prossimo decennio, " dice Hill. "Fortunatamente, molti potenti esperimenti saranno presto online." Menziona strutture come l'Osservatorio Simons, che studierà CMB, così come l'Osservatorio Rubin e i telescopi spaziali Euclide e Romano, che raccoglierà nuove informazioni su LSS. "Dovrebbe essere molto eccitante vedere cosa troviamo, " lui dice.
Ecco un video di YouTube in cui Hill parla dell'energia oscura iniziale:
Starkman dice che è importante stare attenti con tali affermazioni "straordinarie", a meno che le prove non siano chiare e convincenti. Come sottolinea, ci sono prove anche contro EDE. "I risultati attuali mostrano crescenti tensioni tra due serie di dati sperimentali dell'osservazione del fondo cosmico a microonde - dal satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea che ha volato nella prima parte dell'ultimo decennio, e dall'attuale Atacama Cosmology Telescope. Il primo sembra non supportare l'idea della prima energia oscura, mentre quest'ultimo ora lo fa. Tali tensioni tra gli esperimenti sono comuni e frustranti. Si è tentati di dire che più dati da ACT risolveranno la questione, ma semplicemente sovraccaricare i dati di Planck completati con più dati ACT non spiegherà perché i dati di Planck non favoriscono l'EDE. Sembra probabile che la tensione richieda una revisione della comprensione di uno di questi esperimenti al fine di fornire un caso chiaro in un modo o nell'altro".
Wendy Freedman, un professore di astronomia e astrofisica all'Università di Chicago che ha lavorato sulla misurazione dell'espansione cosmica, ritiene importante perseguire vari modelli alternativi.
"Attualmente abbiamo un modello standard di cosmologia, il cosiddetto modello lambda della materia oscura fredda (LCDM), "Liberato, l'autore di questo articolo, pubblicato il 17 settembre 2021, sulla costante di Hubble in The Astrophysical Journal, spiega in una mail. "In quel modello circa 1/3 della materia complessiva + densità di energia è dovuta alla materia (la maggior parte della quale è materia oscura) e 2/3 è dovuta a una componente dell'energia oscura".
"Però, al momento attuale, non conosciamo la natura né della materia oscura né dell'energia oscura, " Freedman continua. "Eppure LCDM si adatta molto bene a una vasta gamma di esperimenti e osservazioni differenti. Dato il nostro stato di conoscenza, è chiaramente importante testare ulteriormente il modello standard. L'attuale apparente discrepanza tra il valore della costante di Hubble dedotto dalle misurazioni CMB e alcune misurazioni locali potrebbe segnalare una nuova fisica. Questo è il motivo per cui dico che è importante indagare su altri modelli oltre a lambda CDM".
Ma Freedman aggiunge un avvertimento importante:"In alternativa, potrebbe esserci qualche errore sistematico ancora sconosciuto che è responsabile dell'apparente discrepanza. È quindi importante anche ridurre le incertezze nelle attuali misurazioni della costante di Hubble".
Ora è interessanteSe si scopre che la prima energia oscura è esistita, calcolarlo nella stima dell'età dell'universo farebbe sì che il cosmo sia più giovane di 1,4 miliardi di anni rispetto all'attuale stima di 13,8 miliardi di anni.
