Un rinnovato suggerimento secondo cui l'energia oscura potrebbe non essere reale, eliminando il 70% della roba nell'universo, ha riacceso un dibattito di lunga data.

L'energia oscura e la materia oscura sono invenzioni teoriche che spiegano osservazioni che altrimenti non potremmo comprendere.

Sulla scala delle galassie, la gravità sembra essere più forte di quanto possiamo spiegare usando solo particelle in grado di emettere luce. Quindi aggiungiamo le particelle di materia oscura al 25% dell'energia di massa dell'Universo. Tali particelle non sono mai state rilevate direttamente.

Sulle scale più grandi su cui l'Universo si sta espandendo, la gravità appare più debole del previsto in un universo contenente solo particelle, sia ordinarie che di materia oscura. Quindi aggiungiamo "energia oscura":una debole forza antigravitazionale che agisce indipendentemente dalla materia.

Breve storia dell'"energia oscura"

L'idea dell'energia oscura è antica quanto la relatività generale stessa. Albert Einstein lo ha incluso quando ha applicato per la prima volta la relatività alla cosmologia esattamente 100 anni fa.

Einstein voleva erroneamente bilanciare esattamente l'autoattrazione della materia mediante l'antigravità su scale più grandi. Non poteva immaginare che l'Universo avesse un inizio e non volesse che cambiasse nel tempo.

Non si sapeva quasi nulla dell'Universo nel 1917. L'idea stessa che le galassie fossero oggetti a grandi distanze fu discussa.

Einstein si trovava di fronte a un dilemma. L'essenza fisica della sua teoria, come riassunto decenni dopo nell'introduzione di un famoso libro di testo è:

La materia dice allo spazio come curvarsi, e lo spazio dice alla materia come muoversi.

Ciò significa che lo spazio vuole naturalmente espandersi o contrarsi, piegarsi insieme alla materia. Non sta mai fermo.

Questo fu realizzato da Alexander Friedmann che nel 1922 mantenne gli stessi ingredienti di Einstein. Ma non ha cercato di bilanciare la quantità di materia e di energia oscura. Ciò suggeriva un modello in cui gli universi potevano espandersi o contrarsi.

Ulteriore, l'espansione rallenterebbe sempre se fosse presente solo la materia. Ma potrebbe accelerare se l'energia oscura antigravitante fosse inclusa.

Dalla fine degli anni '90 molte osservazioni indipendenti sembravano richiedere tale espansione accelerata, in un Universo con il 70% di energia oscura. Ma questa conclusione si basa sul vecchio modello di espansione che non è cambiato dagli anni '20.

Modello cosmologico standard

Le equazioni di Einstein sono diabolicamente difficili. E non semplicemente perché ce ne sono più che nella teoria della gravità di Isaac Newton.

Sfortunatamente, Einstein ha lasciato alcune domande fondamentali senza risposta. Questi includono:su quali scale la materia dice allo spazio come curvarsi? Qual è l'oggetto più grande che si muove come una singola particella in risposta? E qual è l'immagine corretta su altre scale?

Questi problemi sono opportunamente evitati dall'approssimazione centenaria - introdotta da Einstein e Friedmann - che, in media, l'Universo si espande uniformemente. Proprio come se tutte le strutture cosmiche potessero essere passate attraverso un frullatore per fare una zuppa senza caratteristiche.

Questa approssimazione omogeneizzante è stata giustificata all'inizio della storia cosmica. Sappiamo dal fondo cosmico a microonde - la radiazione residua del Big Bang - che le variazioni nella densità della materia erano minuscole quando l'Universo aveva meno di un milione di anni.

Ma l'universo è non omogeneo oggi. L'instabilità gravitazionale ha portato alla crescita delle stelle, galassie, ammassi di galassie, e infine una vasta "rete cosmica", dominato in volume da vuoti circondati da strati di galassie e infilati da filamenti esili.

Nella cosmologia standard, assumiamo uno sfondo che si espande come se non ci fossero strutture cosmiche. Quindi facciamo simulazioni al computer usando solo la teoria di 330 anni di Newton. Questo produce una struttura che assomiglia alla rete cosmica osservata in un modo ragionevolmente convincente. Ma richiede l'inclusione di energia oscura e materia oscura come ingredienti.

Anche dopo aver inventato il 95% della densità energetica dell'universo per far funzionare le cose, il modello stesso deve ancora affrontare problemi che vanno dalle tensioni alle anomalie.

Ulteriore, La cosmologia standard stabilisce anche che la curvatura dello spazio sia uniforme ovunque, e disaccoppiato dalla materia. Ma questo è in contrasto con l'idea di base di Einstein che la materia dice allo spazio come curvarsi.

Non stiamo usando tutta la relatività generale! Il modello standard è meglio riassunto come: Friedmann dice allo spazio come curvare, e Newton dice alla materia come muoversi.

Inserisci "reazione di ritorno"

Dai primi anni 2000, alcuni cosmologi hanno esplorato l'idea che mentre le equazioni di Einstein collegano materia e curvatura su piccola scala, la loro media su larga scala potrebbe dar luogo a backreaction – espansione media non esattamente omogenea.

Le distribuzioni di materia e curvatura iniziano quasi uniformi quando l'universo è giovane. Ma man mano che la rete cosmica emerge e diventa più complessa, le variazioni di curvatura su piccola scala diventano grandi e l'espansione media può differire da quella della cosmologia standard.

I recenti risultati numerici di un team a Budapest e alle Hawaii che afferma di fare a meno dell'energia oscura hanno utilizzato simulazioni Newton standard. Ma hanno evoluto il loro codice in avanti nel tempo con un metodo non standard per modellare l'effetto di reazione all'indietro.

intrigante, la legge di espansione risultante adatta ai dati satellitari di Planck traccia molto vicino a quella di un modello di reazione retroattiva basato sulla relatività generale di dieci anni fa, nota come cosmologia del paesaggio temporale. Presuppone che dobbiamo calibrare orologi e righelli in modo diverso quando si considerano le variazioni di curvatura tra galassie e vuoti. Per una cosa, questo significa che l'Universo non ha più una sola età.

Nel decennio successivo, esperimenti come il satellite Euclid e l'esperimento CODEX, avrà il potere di verificare se l'espansione cosmica segue la legge omogenea di Friedmann, o un modello alternativo di backreaction.

Essere preparati, è importante che non mettiamo tutte le nostre uova in un paniere cosmologico, nel ruolo di Avi Loeb, Cattedra di Astronomia ad Harvard, ha recentemente avvertito. Nelle parole di Loeb:

Per evitare la stagnazione e coltivare una vivace cultura scientifica, una frontiera della ricerca dovrebbe sempre mantenere almeno due modi di interpretare i dati in modo che i nuovi esperimenti mirino a selezionare quello corretto. Un sano dialogo tra diversi punti di vista dovrebbe essere promosso attraverso convegni che discutono questioni concettuali e non solo risultati sperimentali e fenomenologia, come spesso accade attualmente.

Cosa può insegnarci la relatività generale?

Sebbene la maggior parte dei ricercatori accetti l'esistenza degli effetti della reazione di ritorno, il vero dibattito è se questo può portare a una differenza superiore all'1% o al 2% rispetto al bilancio massa-energia della cosmologia standard.

Qualsiasi soluzione di backreaction che elimini l'energia oscura deve spiegare perché la legge dell'espansione media appare così uniforme nonostante la disomogeneità della rete cosmica, qualcosa che la cosmologia standard assume senza spiegazioni.

Poiché le equazioni di Einstein possono in linea di principio far espandere lo spazio in modi estremamente complicati, qualche principio semplificativo è richiesto per la loro media su larga scala. Questo è l'approccio della cosmologia del paesaggio temporale.

È probabile che qualsiasi principio semplificatore per le medie cosmologiche abbia le sue origini nell'Universo primordiale, dato che era molto più semplice dell'Universo di oggi. Negli ultimi 38 anni, modelli di universo inflazionistico sono stati invocati per spiegare la semplicità dell'Universo primordiale.

Pur avendo successo in alcuni aspetti, molti modelli di inflazione sono ora esclusi dai dati satellitari di Planck. Quelli che sopravvivono danno accenni allettanti di principi fisici più profondi.

Molti fisici vedono ancora l'Universo come un continuum fisso che nasce indipendentemente dai campi di materia che lo abitano. Ma, nello spirito della relatività – che spazio e tempo hanno significato solo quando sono relazionali – potremmo aver bisogno di ripensare alle idee di base.

Poiché il tempo stesso è misurato solo da particelle con massa a riposo diversa da zero, forse lo spaziotempo come lo conosciamo emerge solo quando le prime particelle massicce si condensano.

Qualunque sia la teoria finale, probabilmente incarnerà l'innovazione chiave della relatività generale, vale a dire l'accoppiamento dinamico tra materia e geometria, a livello quantistico.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.