L'universo è in continua espansione, tuttavia la velocità esatta con cui lo fa rimane poco chiara, e finora è stato approssimato solo utilizzando il telescopio spaziale Hubble della NASA e altri strumenti simili. Inoltre, negli ultimi anni, gli astronomi che utilizzano il telescopio Hubble hanno svelato una discrepanza tra le due tecniche principali utilizzate per stimare il tasso di espansione dell'universo.

Essenzialmente, le misurazioni raccolte dal telescopio Hubble suggeriscono che l'universo si sta espandendo molto più velocemente di quanto si deduce dalle osservazioni del fondo cosmico a microonde (CMB). Questa discrepanza, denominata tensione di Hubble, ha suscitato un crescente interesse all'interno della comunità di ricerca in fisica, eppure i tentativi di risolverlo finora non hanno avuto successo.

I ricercatori della Johns Hopkins University e dello Swarthmore College hanno recentemente proposto e testato un modello alternativo che potrebbe risolvere la tensione di Hubble. Nel loro studio, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno applicato con successo un modello di energia oscura precedentemente presentato da Marc Kamionkowski (uno degli autori), che lo descrive come in evoluzione ma non interattivo rispetto alla tensione di Hubble.

"Nonostante l'insuccesso, precedenti tentativi di risolvere la tensione di Hubble ci hanno permesso di capire grosso modo quali caratteristiche dovrebbe avere una soluzione, " Vivian Poulin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Allo stesso tempo, stavamo lavorando per testare le conseguenze della teoria delle stringhe con osservabili cosmologiche, che predice l'esistenza di un "assiverso, " cioè., un numero enorme di particelle estremamente leggere con proprietà fisiche molto particolari. Ci siamo resi conto che una semplice modifica delle proprietà fisiche di queste particelle dava loro le caratteristiche di cui avevamo bisogno nel contesto della tensione di Hubble. Così, abbiamo deciso di andare avanti in questa direzione e testare questo modello alternativo".

Poulin e i suoi colleghi sono cosmologi teorici, quindi non hanno costruito uno strumento per testare le loro idee. Anziché, hanno utilizzato i dati raccolti durante rinomate collaborazioni di ricerca come le osservazioni CMB di Planck e le misurazioni SH0ES H0. Utilizzando questi dati precedentemente raccolti, i ricercatori hanno applicato un modello di energia oscura precoce (EDE) alla tensione di Hubble.

L'energia oscura è un mistero persistente nell'attuale comprensione cosmologica, nonostante comprenda circa il 70% della densità energetica dell'universo. È stato scoperto per la prima volta nel 1998 da Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter e le loro rispettive squadre durante le loro osservazioni di supernovae.

"Un EDE significa semplicemente che queste particelle, nel contesto cosmologico, agire come un componente dell'energia oscura (cioè un fluido con pressione negativa) molto prima dell'attuale energia oscura, " ha spiegato Poulin. "In pratica, queste particelle modificano il tasso di espansione dell'universo intorno al momento in cui i fotoni CMB sono stati emessi (cioè, solo 380, 000 anni dopo il Big Bang), aumentandolo leggermente (di circa il 3%) rispetto alla previsione standard".

Nel loro studio, Poulin e i suoi colleghi hanno calcolato l'aspetto che avrebbe il CMB in presenza di un componente EDE. Data la precisione dei dati raccolti da Planck e utilizzati nei loro calcoli, le previsioni dei ricercatori erano abbastanza dettagliate.

"Avevamo bisogno di capire esattamente come si sarebbe comportato il nostro modello, evolvere e fluttuare, e come influenzerebbe il fondo cosmico a microonde, la luce più antica dell'universo, "Tanvi Karwal, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "La CMB è complessa e la sua forma deve essere calcolata numericamente, quindi abbiamo aggiunto un codice che descrive l'EDE a un codice preesistente per estrarre informazioni cosmologiche dalla CMB".

polline, Karwal e i loro colleghi hanno utilizzato un supercomputer per campionare centinaia di migliaia di cosmologie diverse. Ciò ha permesso loro di identificare la cosmologia che meglio si adatta alle osservazioni esistenti dell'universo. Hanno scoperto che questo nuovo modello cosmologico, che include un componente EDE, potrebbe risolvere la tensione di Hubble.

Essenzialmente, i ricercatori hanno osservato che una leggera modifica del tasso di espansione dell'universo nel remoto passato, come prodotto da un EDE, potrebbe risolvere la tensione di Hubble. È possibile che il modello effettivo testato nel loro studio, che è solo un cosiddetto modello giocattolo, non si realizza in natura.

"Questo non è problematico, perché in cosmologia ciò che conta davvero sono le proprietà dinamiche di un insieme di queste particelle (più precisamente, è la loro densità di energia totale e pressione), e non tanto le loro proprietà microfisiche individuali, " Disse Poulin. "In effetti, esistono già realizzazioni alternative dell'EDE proposte dopo la pubblicazione del nostro lavoro, le cui proprietà collettive sono simili a quella che abbiamo proposto."

Globale, il lavoro di Poulin, Karwal e i loro colleghi aiutano l'attuale comprensione di quando e in che misura l'EDE deve essere stato dinamicamente importante, che potrebbe in definitiva informare lo sviluppo di modelli cosmologici più efficaci. Data l'accuratezza dei dati di Planck, è altamente non banale che un fluido che rappresenta fino al 10 percento della densità di energia dell'universo in tempi molto antichi non influenzerebbe significativamente il CMB, dimostrando così che richiedeva calcoli numerici sostanziali.

"La mia conclusione principale da questo progetto è che osservazioni cosmologiche anomale possono aiutarci a esplorare nuova fisica, " Karwal ha detto. "Questa ricerca ha ispirato altri gruppi a indagare su modelli simili di EDE come soluzione alla tensione di Hubble. Abbiamo ancora del lavoro da fare per perfezionare e comprendere il nostro modello EDE, ma sono anche interessati a diverse soluzioni per la tensione di Hubble".

I ricercatori stanno ora pianificando di testare ulteriormente il loro modello in diversi modi. Primo, vorrebbero usarlo per imparare il più possibile sulle proprietà di EDE. Infatti, sebbene esistano numerosi modelli alternativi di EDE, le delibere prodotte da questi modelli non sono efficaci quanto quelle generate dal nuovo. Poulin, Karwal e i suoi colleghi vorrebbero capire perché il loro modello produce previsioni migliori, poiché i loro risultati evidenziano la sensibilità dei dati alle caratteristiche dell'EDE.

"Vogliamo anche vedere se ci sono ulteriori firme di queste particelle negli osservabili cosmologici, "Poulin ha detto. "Per esempio, ci siamo già resi conto che gli esperimenti CMB di prossima generazione (come Simons Observatory e CMBS4) potrebbero testare questo modello indipendentemente dall'osservazione delle supernove. Significa che si potrebbe dire inequivocabilmente che questo fluido esiste in natura senza bisogno di invocare la tensione di Hubble. Ma abbiamo anche dimostrato che questi modelli possono influenzare le proprietà statistiche degli insiemi di galassie, per il quale abbiamo numerose osservazioni."

Nel futuro, nuovi dati raccolti utilizzando strumenti spaziali come il satellite EUCLID e il telescopio LSST potrebbero migliorare l'accuratezza e la portata delle misurazioni raccolte da questo team di ricercatori. I ricercatori ritengono che queste osservazioni potrebbero contenere anche l'impronta digitale di EDE, sebbene ottenere una previsione accurata di questa impronta digitale richiederà un lavoro aggiuntivo che va ben oltre i calcoli numerici che hanno eseguito.

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