È imbarazzante, ma gli astrofisici sono i primi ad ammetterlo. Il nostro miglior modello teorico può spiegare solo il 5% dell'universo. Il restante 95% è notoriamente costituito quasi interamente da invisibili, materiale sconosciuto chiamato energia oscura e materia oscura. Quindi, anche se ci sono miliardi di trilioni di stelle nell'universo osservabile, sono in realtà estremamente rari.

Le due misteriose sostanze oscure possono essere dedotte solo dagli effetti gravitazionali. La materia oscura può essere un materiale invisibile, ma esercita una forza gravitazionale sulla materia circostante che possiamo misurare. L'energia oscura è una forza repulsiva che fa espandere l'universo a un ritmo accelerato. I due sono sempre stati trattati come fenomeni separati. Ma il mio nuovo studio, pubblicato in Astronomia e Astrofisica , suggerisce che potrebbero essere entrambi parte dello stesso strano concetto:un singolo, "fluido oscuro" unificato di masse negative.

Le masse negative sono una forma ipotetica di materia che avrebbe un tipo di gravità negativa, respingendo tutto il resto del materiale intorno a loro. A differenza della familiare materia di massa positiva, se è stata spinta una massa negativa, accelererebbe verso di te piuttosto che lontano da te.

Le masse negative non sono un'idea nuova in cosmologia. Proprio come materia normale, le particelle di massa negativa diventerebbero più diffuse man mano che l'universo si espande, il che significa che la loro forza repulsiva si indebolirebbe nel tempo. Però, gli studi hanno dimostrato che la forza che guida l'espansione accelerata dell'universo è inesorabilmente costante. Questa incoerenza ha precedentemente portato i ricercatori ad abbandonare questa idea. Se esiste un fluido oscuro, non dovrebbe diradarsi nel tempo.

Nel nuovo studio, Propongo una modifica alla teoria della relatività generale di Einstein per consentire non solo l'esistenza di masse negative, ma da creare continuamente. La "creazione della materia" era già inclusa in una delle prime teorie alternative al Big Bang, noto come modello dello stato stazionario. Il presupposto principale era che la materia (massa positiva) fosse continuamente creata per ricostituire la materia mentre l'universo si espandeva. Ora sappiamo dalle prove osservative che questo non è corretto. Però, ciò non significa che la materia di massa negativa non possa essere creata continuamente. Mostro che questo presunto fluido oscuro non viene mai distribuito troppo sottile. Invece si comporta esattamente come l'energia oscura.

Ho anche sviluppato un modello computerizzato 3D di questo ipotetico universo per vedere se potesse spiegare anche la natura fisica della materia oscura. La materia oscura è stata introdotta per spiegare il fatto che le galassie ruotano molto più velocemente di quanto previsto dai nostri modelli. Ciò implica che deve essere presente della materia invisibile aggiuntiva per impedire loro di girare a pezzi.

Il mio modello mostra che la forza repulsiva circostante del fluido oscuro può anche tenere insieme una galassia. La gravità della galassia di massa positiva attrae masse negative da tutte le direzioni, e man mano che il fluido di massa negativa si avvicina alla galassia, a sua volta esercita una forza repulsiva più forte sulla galassia che le consente di ruotare a velocità più elevate senza separarsi. Sembra quindi che un semplice segno meno possa risolvere uno dei problemi più antichi della fisica.

L'universo è davvero così strano?

Si potrebbe obiettare che questo suona un po' inverosimile. Ma mentre le masse negative sono bizzarre, sono notevolmente meno strani di quanto si possa pensare immediatamente. Per i principianti, questi effetti possono solo sembrarci peculiari e non familiari, poiché risiediamo in una regione dominata da una massa positiva.

Che sia fisicamente reale o meno, le masse negative hanno già un ruolo teorico in un vasto numero di aree. Le bolle d'aria nell'acqua possono essere modellate come aventi una massa negativa. Recenti ricerche di laboratorio hanno anche generato particelle che si comportano esattamente come se avessero massa negativa.

E i fisici sono già a loro agio con il concetto di densità di energia negativa. Secondo la meccanica quantistica, lo spazio vuoto è costituito da un campo di energia di fondo fluttuante che può essere negativo in alcuni punti, dando origine a onde e particelle virtuali che entrano ed escono dall'esistenza. Questo può anche creare una piccola forza che può essere misurata in laboratorio.

Il nuovo studio potrebbe aiutare a risolvere molti problemi della fisica moderna. Teoria delle stringhe, che è la nostra migliore speranza per unificare la fisica del mondo quantistico con la teoria del cosmo di Einstein, è attualmente visto come incompatibile con le prove osservative. Però, la teoria delle stringhe suggerisce che l'energia nello spazio vuoto deve essere negativa, che corrobora le aspettative teoriche per un fluido oscuro di massa negativa.

Inoltre, il team dietro la rivoluzionaria scoperta di un universo in accelerazione ha sorprendentemente rilevato prove di una cosmologia di massa negativa, ma ha preso la ragionevole precauzione di interpretare questi risultati controversi come "non fisici".

La teoria potrebbe anche risolvere il problema della misurazione dell'espansione dell'universo. Ciò è spiegato dalla legge Hubble-Lemaître, l'osservazione che le galassie più distanti si stanno allontanando a un ritmo più veloce. La relazione tra la velocità e la distanza di una galassia è stabilita dalla "costante di Hubble", ma le sue misure hanno continuato a variare. Ciò ha portato a una crisi della cosmologia. Fortunatamente, una cosmologia di massa negativa predice matematicamente che la "costante" di Hubble dovrebbe variare nel tempo. Chiaramente, ci sono prove che questa nuova teoria strana e non convenzionale meriti la nostra attenzione scientifica.

Dove andare da qui?

Il creatore del campo della cosmologia, Albert Einstein, ha fatto, insieme ad altri scienziati tra cui Stephen Hawking, preso in considerazione le masse negative. Infatti, nel 1918 Einstein scrisse persino che la sua teoria della relatività generale potrebbe dover essere modificata per includerli.

Nonostante questi sforzi, una cosmologia di massa negativa potrebbe essere sbagliata. La teoria sembra fornire risposte a così tante domande attualmente aperte che gli scienziati, giustamente, saranno piuttosto sospettosi. Però, spesso sono le idee fuori dagli schemi che forniscono risposte a problemi di vecchia data. La forte accumulazione di prove è ora cresciuta al punto che dobbiamo considerare questa insolita possibilità.

Il più grande telescopio mai costruito, lo Square Kilometer Array (SKA), misurerà la distribuzione delle galassie nel corso della storia dell'universo. Sto progettando di usare lo SKA per confrontare le sue osservazioni con le previsioni teoriche sia per una cosmologia di massa negativa che per quella standard, aiutando a dimostrare in definitiva se le masse negative esistono nella nostra realtà.

Ciò che è chiaro è che questa nuova teoria genera una ricchezza di nuove domande. Così come per tutte le scoperte scientifiche, l'avventura non finisce qui. Infatti, la ricerca per comprendere la vera natura di questa bella, unificato, e, forse polarizzato, l'universo è appena iniziato.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.