Quando gli scienziati hanno registrato un'increspatura nello spazio-tempo, seguito entro due secondi da un'esplosione di luce associata osservata da dozzine di telescopi in tutto il mondo, avevano assistito, per la prima volta, la collisione esplosiva e la fusione di due stelle di neutroni.

L'intenso evento cosmologico osservato il 17 agosto ha avuto anche altri riverberi qui sulla Terra:ha escluso una classe di teorie sull'energia oscura che modificano la gravità, e ha sfidato una vasta classe di teorie.

Energia oscura, che sta guidando l'espansione accelerata dell'universo, è uno dei più grandi misteri della fisica. Costituisce circa il 68 percento della massa e dell'energia totali dell'universo e funziona come una sorta di antigravità, ma non abbiamo ancora una buona spiegazione per questo. In poche parole, l'energia oscura agisce per allontanare la materia l'una dall'altra, mentre la gravità agisce per tirare insieme la materia.

La fusione di stelle di neutroni ha creato onde gravitazionali - una distorsione ondulata nel tessuto dello spazio e del tempo, come una pietra lanciata che invia increspature attraverso uno stagno - che ha viaggiato per circa 130 milioni di anni luce attraverso lo spazio, ed è arrivato sulla Terra quasi nello stesso istante della luce ad alta energia che è uscita da questa fusione.

La firma delle onde gravitazionali è stata rilevata da una rete di rilevatori terrestri chiamati LIGO e Virgo, e il primo intenso lampo di luce è stato osservato dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi.

Quel tempo di arrivo quasi simultaneo è un test molto importante per le teorie sull'energia oscura e sulla gravità.

"I nostri risultati fanno progressi significativi per chiarire la natura dell'energia oscura, " disse Miguel Zumalacárregui, un fisico teorico che fa parte del Berkeley Center for Cosmological Physics presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (Berkeley Lab) e UC Berkeley.

"Le teorie più semplici sono sopravvissute, " ha detto. "E 'davvero una questione di tempi".

Lui e José María Ezquiaga, che era un Ph.D. ricercatore presso il Berkeley Center for Cosmological Physics, partecipato a questo studio, che è stato pubblicato il 18 dicembre sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Una teoria della "costante cosmologica" vecchia di 100 anni introdotta da Albert Einstein in relazione al suo lavoro sulla relatività generale e alcune altre teorie derivate da questo modello rimangono valide contendenti perché propongono che l'energia oscura sia una costante sia nello spazio che nel tempo:Le onde gravitazionali e le onde luminose sono influenzate allo stesso modo dall'energia oscura, e quindi viaggiano alla stessa velocità attraverso lo spazio.

"La spiegazione preferita è questa costante cosmologica, " ha detto. "Questo è così semplice come sta per arrivare."

Ci sono alcune teorie complicate ed esotiche che resistono anche al test presentato dalle misurazioni della fusione stellare. gravità massiccia, per esempio - una teoria della gravità che assegna una massa a un'ipotetica particella elementare chiamata gravitone - contiene ancora un frammento di possibilità se il gravitone ha una massa molto piccola.

Alcune altre teorie, anche se, che sosteneva che l'arrivo delle onde gravitazionali sarebbe stato separato nel tempo dall'arrivo della firma luminosa della fusione stellare da periodi molto più lunghi - che si estendevano fino a milioni di anni - non spiega cosa è stato visto, e devono essere modificati o eliminati.

Lo studio rileva che una classe di teorie note come teorie del tensore scalare è particolarmente contestata dalle osservazioni di fusione di stelle di neutroni, compreso Einstein-Etere, MOND-like (relativo alla dinamica newtoniana modificata), Galileo, e teorie di Horndeski, per dirne alcuni.

Con modifiche, alcuni dei modelli contestati possono sopravvivere all'ultimo test della fusione stellare, Zumalacárregui ha detto, sebbene "perdano parte della loro semplicità" nel processo.

Zumalacárregui è entrato a far parte del centro cosmologico lo scorso anno ed è un ricercatore globale Marie Sk?odowska-Curie specializzato in studi sulla gravità e sull'energia oscura.

Ha iniziato a studiare se le onde gravitazionali potessero fornire un utile test dell'energia oscura dopo l'annuncio del febbraio 2016 che i due set di rilevatori di onde gravitazionali chiamati LIGO (il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hanno catturato la prima misurazione confermata delle onde gravitazionali. Gli scienziati ritengono che quelle onde siano state create dalla fusione di due buchi neri per creare un buco nero più grande.

Ma questi tipi di eventi non producono un'esplosione di luce associata. "Hai bisogno di entrambi - non solo delle onde gravitazionali per aiutare a testare le teorie della gravità e dell'energia oscura, " disse Zumalacárregui.

Un altro studio, che ha pubblicato con Ezquiaga e altri nell'aprile 2017, esplorato le condizioni teoriche in cui le onde gravitazionali potrebbero viaggiare a una velocità diversa dalla luce.

Un'altra implicazione per questo campo di ricerca è che, raccogliendo onde gravitazionali da questi e forse da altri eventi cosmologici, potrebbe essere possibile utilizzare le loro firme caratteristiche come "sirene standard" per misurare il tasso di espansione dell'universo.

Questo è analogo al modo in cui i ricercatori usano le firme luminose simili per gli oggetti - tra cui un tipo di stelle esplosive note come supernovae di tipo Ia e stelle pulsanti note come cefeidi - come "candele standard" per misurare la loro distanza.

I cosmologi usano una combinazione di tali misurazioni per costruire una cosiddetta scala delle distanze per misurare la distanza di un dato oggetto dalla Terra, ma ci sono alcune discrepanze irrisolte che sono probabilmente dovute alla presenza di polvere spaziale e imperfezioni nei calcoli.

La raccolta di più dati da eventi che generano sia onde gravitazionali che luce potrebbe anche aiutare a risolvere diverse misurazioni della costante di Hubble, un indicatore popolare del tasso di espansione dell'universo.

Il tasso di Hubble calibrato con le misurazioni della distanza delle supernove differisce dal tasso di Hubble ottenuto da altre osservazioni cosmologiche, Zumalacárregui ha osservato, quindi trovare sirene più standard come le fusioni di stelle di neutroni potrebbe migliorare le misurazioni della distanza.

L'evento di fusione di stelle di neutroni di agosto ha presentato un'opportunità inaspettata ma molto gradita, Egli ha detto.

"Le onde gravitazionali sono una conferma o una confutazione molto indipendente delle misurazioni della scala di distanza, " ha detto. "Sono davvero eccitato per i prossimi anni. Almeno alcuni di questi modelli di energia oscura non standard potrebbero spiegare questa discrepanza di tasso di Hubble.

"Forse abbiamo sottovalutato alcuni eventi, o c'è qualcosa di mancante per cui avremo bisogno di rivedere la cosmologia standard dell'universo, " ha aggiunto. "Se questo standard regge, avremo bisogno di idee teoriche radicalmente nuove che sono difficili da verificare sperimentalmente, come più universi:il multiverso. Però, se questo standard fallisce, avremo strade più sperimentali per testare queste idee."

Stanno arrivando online nuovi strumenti e sondaggi del cielo che mirano anche a migliorare la nostra comprensione dell'energia oscura, incluso il progetto Dark Energy Spectroscopic Instrument guidato da Berkeley Lab che dovrebbe iniziare a funzionare nel 2019. E gli scienziati che studiano altri fenomeni, come le illusioni ottiche nello spazio causate dalla lente gravitazionale - un effetto indotto dalla gravità che fa piegare e distorcere la luce proveniente da oggetti distanti attorno a oggetti più vicini - sarà utile anche per effettuare misurazioni più precise.

"Potrebbe cambiare il modo in cui pensiamo al nostro universo e al nostro posto in esso, " ha detto Zumalacárregui. "Ci vorranno nuove idee."