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Un nuovo tipo di energia oscura che spiega l’espansione dell’universo

Accenni a una forma primordiale di energia oscura precedentemente sconosciuta potrebbe spiegare perché il cosmo ora sembra espandersi più velocemente di quanto la teoria preveda.

Categorie Chimica · Fisica · Spazio

Da più di un secolo gli scienziati sanno che l’universo si è espanso dal big bang, l’evento primordiale che, miliardi di anni fa, ha dato inizio a tutto. Ma finora, non sono stati in grado di risolvere un problema complicato, ovvero: quanto velocemente si sta espandendo l’universo? Questo perché c’è una disparità tra il tasso stimato basato sulla radiazione rilasciata dal big bang, noto come fondo cosmico a microonde (CMB, Cosmic Microwave Background) e il ritmo significativamente più veloce basato sulle osservazioni delle supernove. Il tasso di espansione dell’universo è noto come la costante di Hubble, quindi la disparità viene definita “tensione di Hubble”. Gli scienziati hanno creduto che la continua espansione dell’universo sia stata guidata da una forza chiamata energia oscura, che sembra aver iniziato a invertire la decelerazione dell’universo 7 o 8 miliardi di anni dopo il big bang.

Che cos’è l’energia oscura?

L’energia oscura è un’ipotetica fonte di energia nell’universo che comprende circa il 70 percento dell’energia totale nell’universo. La prova principale della sua esistenza è l’espansione accelerata dell’universo che sembra essere andata avanti negli ultimi miliardi di anni.

Per guidare una tale espansione è necessaria una fonte di energia che non diventi più diluita man mano che l’universo si espande. Questo squalifica la maggior parte delle fonti di energia – ad esempio, la materia ordinaria o la materia oscura, che diventano entrambe meno dense man mano che l’universo diventa più grande.

Il modello più semplice vede l’energia oscura come la densità di energia immutabile associata allo spazio vuoto. Pertanto, se lo spazio si espande, la densità dell’energia oscura dovrebbe rimanere costante. Ma ci sono molte cose che non sono spiegate sull’energia oscura, incluso il motivo per cui non è sempre esistita. E anche l’inclusione dell’energia oscura nel modello standard non risolve la disparità tra le due misurazioni dell’espansione cosmica.

Evoluzione dell’Universo a partire dal Big Bang a sinistra, seguito dall’apparizione del Fondo Cosmico a Microonde. La formazione delle prime stelle pone fine ai secoli di buio cosmico, seguita dalla formazione delle galassie (credits: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics).

Che cos’è l’energia oscura precoce?

Nuovi studi possono aiutare a indicare una possibile soluzione a questo problema. I ricercatori credono di aver trovato tracce di un tipo di energia oscura, detta precoce, che esisteva nei primi 300.000 anni dopo il big bang. Essa avrebbe giocato un ruolo importante nell’universo molto tempo fa, quando l’universo era circa 10.000 volte più piccolo e più caldo di quanto non sia attualmente.

L’energia oscura iniziale non sarebbe stata abbastanza forte da causare l’espansione accelerata dell’universo miliardi di anni dopo. Lo avrebbe invece indirettamente influenzato, facendo raffreddare più rapidamente la miscela di particelle elementari, o plasma, formatasi poco dopo il big bang.

Ciò influenzerebbe il modo in cui dovrebbe essere misurato il fondo cosmico a microonde – in particolare le misurazioni dell’età e del tasso di espansione dell’universo basate su quanto lontano potrebbero viaggiare le onde sonore nel plasma prima che si raffreddi in gas – e si tradurrà in un più veloce tasso di espansione che è più vicino a quello che gli astronomi calcolano in base agli oggetti celesti.

(credits:GiroScience, Shutterstock)

La conclusione non è chiara

Ad oggi gli scienziati, per calcolare il tasso di velocità dell’espansione del cosmo, prendono in considerazione l’esistenza della materia ordinaria, dell’energia oscura e della materia oscura. Sta di fatto che i risultati ottenuti dai vari team sono in contrasto tra di loro.
I metodi principali per misurare il tasso di espansione del cosmo sono quelli che si basano sulle misurazioni delle supernove e quelli che si basano sulla radiazione di fondo a microonde.

Entrambi i metodi portano a risultati diversi. Aggiungendo un’ulteriore energia oscura nella fase primordiale del cosmo si otterrebbero risultati molto più simili, senza contraddizioni.

L’energia oscura “classica” che esiste nel nostro universo potrebbe aver subito una transizione di fase, nelle prime fasi dell’esistenza dell’universo, durante il cosiddetto “universo primordiale”. Questa transizione sarebbe stata causata dall’espansione stessa dell’universo e avrebbe causato una diminuzione della densità di energia e un cambiamento dell’effetto della stessa energia oscura “classica” sul tasso di espansione dell’universo. Su scala cosmica, è un processo meccanico quantistico molto violento.

Il modello Lambda Cold Dark Matter (LCDM)

“Attualmente abbiamo un modello standard di cosmologia, il cosiddetto modello lambda della materia oscura fredda (LCDM)”, spiega Freedman, l’autore di questo articolo, pubblicato il 17 settembre 2021, su Hubble Constant in The Astrophysical Journal. “In quel modello circa 1/3 della densità complessiva di materia + energia è dovuta alla materia e 2/3 è dovuta a una componente dell’energia oscura“. “Tuttavia, al momento attuale, non conosciamo la natura né della materia oscura né dell’energia oscura”, continua Freedman.

“Eppure, LCDM si adatta molto bene a una gamma molto ampia di esperimenti e osservazioni differenti. Dato il nostro stato di conoscenza, è chiaramente importante testare ulteriormente il modello standard. L’attuale discrepanza apparente tra il valore della costante di Hubble dedotto da le misurazioni CMB e alcune misurazioni locali potrebbero segnalare una nuova fisica. Questo è il motivo per cui dico che è importante indagare su altri modelli oltre a lambda CDM”.

Wendy Freedman

Ma Freedman aggiunge un avvertimento importante: “In alternativa, potrebbe esserci qualche errore sistematico ancora sconosciuto responsabile dell’apparente discrepanza. È quindi anche importante ridurre le incertezze nelle attuali misurazioni della costante di Hubble”.

Articolo a cura di Giorgia Pascale