La teoria della relatività generale di Einstein prevede l'esistenza dell'energia oscura, una misteriosa forma di energia che permea lo spazio e accelera l'espansione dell'Universo. Ma cosa accadrebbe se Einstein si sbagliasse e non esistesse l'energia oscura? Il progetto GalaxyDance ha studiato questo scenario.

Per quanto accurato si sia dimostrato finora, la relatività generale non è l'unica teoria che può spiegare la gravitazione. Infatti, ci sono varie teorie alternative là fuori. Gli scienziati non sono sicuri di come questi possano resistere all'osservazione e alle simulazioni.

Per colmare questa lacuna, il progetto GalaxyDance, intrapresa con il sostegno del programma Marie Skłodowska-Curie, ha utilizzato le informazioni codificate in particolari statistiche sulla velocità delle galassie nell'Universo Locale e le distorsioni spaziali dello spostamento verso il rosso (RSD) osservate di galassie lontane.

Dottor Wojciech Hellwing, coordinatore del progetto e ricercatore presso il Centro di Fisica Teorica dell'Accademia polacca delle scienze, discute i risultati del progetto finora.

Cosa rende l'espansione dell'Universo così difficile da comprendere?

Man mano che andiamo sempre più in profondità nelle nostre osservazioni dell'Universo, siamo ancora sconcertati da alcune delle sue proprietà. Uno di questi è l'espansione accelerata dello spazio-tempo, che è attualmente attribuito all'energia oscura. Ma la verità è che dobbiamo considerare l'energia oscura solo se la teoria della gravità di Einstein è valida a tutte le scale del cosmo.

Ci sono altre possibili spiegazioni per l'espansione accelerata che non richiedono energia oscura. Queste teorie vanno oltre la relatività generale e sono comunemente chiamate "gravità modificata". Testare la relatività generale e queste alternative su scala intergalattica è una questione urgente e importante per la moderna astronomia extragalattica, ed era lo scopo di GalaxyDance.

Puoi dirci di più sul tuo approccio?

GalaxyDance introduce un nuovo approccio che consiste nell'utilizzare statistiche di basso ordine delle velocità delle galassie e del clustering per testare la teoria della gravità di Einstein e le sue controparti. Questo test copre scale intergalattiche, un regime in cui la teoria della gravità non è stata finora rigorosamente testata. Ho dimostrato che questo approccio ha diversi vantaggi unici:è indipendente dal modello gravitazionale, privo di bias galattici significativi e in gran parte non influenzato dalla fisica barionica.

Ho usato simulazioni al computer all'avanguardia che ricreano un universo virtuale in un supercomputer. Eseguendo e analizzando queste simulazioni, possiamo testare teorie oltre-GR e delineare risultati promettenti.

Cosa rende questo approccio particolarmente innovativo?

L'uso di grandi simulazioni di supercomputer era precedentemente impossibile nei modelli oltre-GR, per la loro complessità e costo numerico. Per mitigare questo problema, abbiamo deciso di utilizzare un algoritmo di accelerazione che, a spese di una certa accuratezza, può modellare l'evoluzione dell'Universo in modo molto più efficiente.

Ho dimostrato con successo che, nel caso delle velocità cosmiche, un tale approccio approssimato è sufficiente per ottenere risultati robusti.

Quali sono i risultati più importanti del progetto?

indubbiamente, il nuovo set di grandi, simulazioni all'avanguardia di teorie alternative che consentiranno studi senza precedenti sui campi di velocità cosmica.

Abbiamo già dimostrato che le statistiche di basso ordine del campo di velocità della galassia dovrebbero contenere un forte segnale di gravità modificata. Però, abbiamo anche dimostrato che, per misurare ed estrarre questo segnale, modellazione dedicata e approfondita dell'impatto delle nostre strutture cosmiche vicine, come l'ammasso di galassie della Vergine, sarà di fondamentale importanza per il successo del nostro metodo.

Cosa speri ancora di ottenere prima della fine del progetto?

Implementeremo un'ulteriore modellazione dei processi che determinano i colori delle galassie, luminosità e forme. Ciò consentirà la creazione di cataloghi di galassie artificiali che mostrano ciò che sarebbe stato creato in un Universo governato da alternative alla teoria della gravità di Einstein.

Da allora, confronteremo i nostri risultati con le osservazioni astronomiche esistenti e future per fornire nuovi severi test di gravità su scale più grandi.

Qual è stato finora il feedback della comunità scientifica?

Molti colleghi hanno espresso interesse e persino entusiasmo per i nostri risultati quando li abbiamo presentati alle conferenze cosmologiche internazionali. Per di più, abbiamo avviato nuove collaborazioni con colleghi che hanno competenze complementari nell'osservazione di galassie (da Lione in Francia) e nella modellazione di strutture cosmiche vicine (colleghi di Potsdam in Germania). Siamo molto entusiasti di questi.

Quale speri sarà l'impatto a lungo termine del progetto? Come prepara la comunità scientifica all'era dei big data cosmologici?

GalaxyDance fornirà un nuovo modo per trasformare in realtà i test cosmologici delle teorie gravitazionali. I risultati finali, non importa quale teoria (energia oscura o gravità modificata) favoriscono, avrà conseguenze di vasta portata e rivoluzionarie per la nostra comprensione dell'Universo su scale più grandi.

Se i nostri test alla fine forniranno una firma della nuova fisica prevista nelle teorie oltre-GR, scuoterà la nostra attuale visione e comprensione dell'evoluzione su larga scala del cosmo. Se, d'altra parte, la nostra indagine rafforza la relatività generale, vorrà dire che dovremo guardare più a fondo per spiegare il mistero dell'energia oscura.