Sono più di cento anni che sappiamo che l’Universo si è espanso senza sosta dal Big Bang. Per i primi otto miliardi di anni, la forza di gravità è rimasta costante nell’Universo così come il tasso di espansione. Tuttavia, grazie a missioni come il telescopio spaziale Hubble, gli astronomi hanno appreso che circa 5 miliardi di anni fa, il tasso di espansione ha subito una repentina accelerazione.
Dal punto di vista teorico dietro l’espansione dell’Universo ci sia una forza misteriosa conosciuta come Energia Oscura. Altri invece si oppongono, proponendo una teoria basata sul fatto che la forza di gravità potrebbe essere cambiata nel corso tempo. Questa seconda ipotesi è molto controversa, poiché significherebbe che la Teoria della Relatività Generale di Einstein sia sbagliata (teoria ampiamente e costantemente dimostrata).
Il ruolo della gravità nell’evoluzione cosmica
Secondo un nuovo studio, frutto della collaborazione internazionale Dark Energy Survey (DES), la gravità è rimasta costante per tutta la storia dell’Universo. Questi risultati arrivano poco prima che due telescopi spaziali di nuova generazione, Nancy Grace Roman ed Euclid, vengano inviati nello spazio per condurre misurazioni ancora più precise della gravità e del suo ruolo nell’evoluzione cosmica.
I risultati sono stati presentati alla Conferenza internazionale sulla fisica delle particelle e la cosmologia (COSMO’22) (rif.), svolta a Rio de Janeiro dal 22 al 26 agosto. Gli stessi sono stati pubblicati in un articolo scientifico (rif.) apparso sulla rivista Physical Review D. La Teoria della Relatività Generale di Einstein, da lui finalizzata nel 1915, descrive come la curvatura dello spazio-tempo viene alterata in presenza della gravità. Per oltre un secolo, questa teoria ha predetto accuratamente quasi tutto nel nostro Universo, dall’orbita di Mercurio e dalla lente gravitazionale all’esistenza dei buchi neri.
Tra gli anni ’60 e ’90 sono state scoperte due discrepanze che hanno portato gli astronomi a chiedersi se la teoria di Einstein fosse corretta. In primo luogo, gli astronomi hanno notato che gli effetti gravitazionali di strutture massicce non erano in accordo con la loro massa osservata. Ciò ha dato origine alla teoria secondo cui lo spazio è pieno di una “massa invisibile” che interagisce con la materia “normale” tramite la gravità. Nel frattempo, l’espansione osservata del cosmo ha dato origine alla teoria dell’energia oscura e al modello cosmologico Lambda Cold Dark Matter (Λ CDM).
Lambda Cold Dark Matter
La teoria Lambda Cold Dark Matter è un’interpretazione dell’Universo in la massa è composta da particelle grandi e lente mentre Lambda rappresenta l’Energia Oscura. In teoria, queste due forze costituiscono il 95% del contenuto totale di massa-energia dell’Universo, ma tutti i tentativi di trovarne una prova diretta sono miseramente falliti. L’unica alternativa possibile è che la relatività debba essere modificata per tenere conto di queste discrepanze. Per scoprire se è così, i membri del DES, hanno utilizzato il telescopio da 4 metri Victor M. Blanco presso l’Osservatorio interamericano Cerro Telolo in Cile per osservare galassie fino a 5 miliardi di anni luce di distanza.
Il loro obiettivo era determinare se la gravità fosse rimasta costante negli ultimi 5 miliardi di anni di vita dell’Universo (da quando è iniziata l’accelerazione) o su distanze cosmiche. Hanno anche consultato i dati di altri telescopi, incluso il satellite Planck dell’ESA, che mappa il Fondo cosmico a microonde dal 2009. Per essere semplici hanno cercato in un numero enorme d’immagini il medesimo effetto osservato nel Depp Field rilasciato dal James Webb Space Telescope (JWST). Finora, la DES Collaboration ha misurato le forme di oltre 100 milioni di galassie e tutte le osservazioni corrispondono a quanto previsto dalla Relatività Generale.
La buona notizia è che la teoria di Einstein è ancora valida, ma questo significa di contro che il mistero dell’Energia Oscura rimane ancora un mistero per il momento. Fortunatamente, gli astrofici non dovranno aspettare molto prima che siano disponibili dati nuovi e più dettagliati. In primis, c’è la missione Euclid dell’ESA, il cui lancio è previsto entro entro il 2023. La missione mapperà la geometria dell’Universo, guardando con una profondità di 8 miliardi di anni, per misurare gli effetti della Materia Oscura e dell’Energia Oscura. Nel maggio 2027, Euclid sarà affiancato dal telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, che guarderà fino ad una profondità di 11 miliardi di anni con il medesimo obiettivo.
Le indagini comologiche più accurate di sempre
L’associazione dei due telescopi daranno luogo alle indagini cosmologiche più dettagliate mai condotte e dovrebbero fornire le prove più convincenti a favore (o contro) del modello Lambda-CDM. Come ha affermato in un recente comunicato stampa della NASA, la coautrice dello studio Agnès Ferté, che ha condotto la ricerca come ricercatrice post-dottorato presso il JPL: “C’è ancora spazio per sfidare la teoria della gravità di Einstein, poiché le misurazioni diventano sempre più precise. Ma abbiamo ancora tanto da fare prima di essere pronti per Euclid e Roman. Quindi è essenziale continuare a collaborare con scienziati di tutto il mondo su questo problema, come abbiamo fatto con il Dark Energy Survey”
Inoltre, le osservazioni fornite da James Webb delle prime stelle e galassie dell’Universo consentiranno agli astronomi di tracciare l’evoluzione del cosmo dai suoi primi periodi. Tutti questi sforzi hanno il potenziale per rispondere ad alcuni dei misteri più urgenti nell’Universo. Questi includono come la Relatività e la massa osservata e l’espansione dell’Universo coincidono, ma potrebbero anche fornire informazioni su come interagiscono la gravità e le altre forze fondamentali dell’Universo: la Teoria del Tutto (ToE).
Se c’è una cosa che caratterizza l’attuale era dell’astronomia, è il modo in cui le indagini a lungo termine e gli strumenti di nuova generazione si uniscono per testare ciò che è stato pura teoria fino ad oggi. Le potenziali scoperte a cui questi potrebbero portare sicuramente cambieranno definitamente la concezione del cosmo e rivoluzioneranno il modo in cui guardiamo all’Universo.
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