L’espansione dell’Universo sta accelerando oppure serve un nuovo modello?

Questa è davvero la celebre domanda da un milione di dollari o, se preferite visto che siamo in Europa, un milione di euro. Non è davvero facile rispondere, solo le prossime ricerche ci potranno dire da quale parte guardare. Ma il progresso scientifico va avanti così, per tentativi ed errori. Fra Premi Nobel dati per scoperte che domani potrebbero essere superate per il medesimo meccanismo di autorevisione che li aveva distribuiti.
Questo giusto per ricordarci quanto sia incerto il pensiero umano che si dedica alle scoperte del Cosmo dove l’unica certezza è sapere di non essere certi  di sapere abbastanza.

 Nel 2011 Brian P. Schmidt e Adam Riess vinsero il Premio Nobel per la Fisica per aver scoperto che l’Universo stava accelerando la sua espansione al contrario di quanto fino ad allora era stato creduto. Il perché questo accada non è mai stato chiarito del tutto ma finora tutto suggerisce che sia la conseguenza di una costante cosmologica, indicata con la lettera greca \(\Lambda\), capace di contrastare il collasso gravitazionale del contenuto dell’Universo. Già in passato mi sono cimentato nello spiegare per sommi capi come questa costante operi nel Modello Standard \(\Lambda CDM\) (Lambda Cold Dark Matter) [1] e quindi non credo sia opportuno tornarci sopra, ma di fatto tutto indica che una condizione di universo accelerato sia legata anche allo stato di falso vuoto che permette l’esistenza stessa della materia e di conseguenza la nostra di osservatori.
Per comprendere meglio come si è arrivati a capire che l’espansione dell’Universo sta accelerando, prendiamo ad esempio una SNa che con le dovute correzioni del caso, mostri uno spostamento verso il rosso (redshift) \(z\) di circa 0.1, pari a circa il 10% dell’età dellUniverso (\(\approx\)1.38 miliardi di anni). Per una distanza così – relativamente – piccola la luminosità apparente osservata nelle SNe è in linea con il loro redshift e quanto prevede la normale Legge di Hubble. Per le distanze maggiori, supponiamo \(z \approx\)0.5 (\(\frac{2}{3}\) dell’età  dell’Universo) si osserva che la luminosità delle SNe 1a è più bassa del redshift indicato dal loro spettro. Questo indica che nel corso del tempo l’espansione dell’Universo è cambiata  e che pertanto l’affievolimento della luce delle SNe risulta più marcato e che devia dalla linearità della Legge di Hubble in funzione del tempo trascorso.  In soldoni, l’Universo si stava espandendo più lentamente in passato di quanto lo faccia oggi. La luce emessa quando l’Universo aveva \(\frac{2}{3}\) dell’età attuale ha dovuto percorrere più spazio per raggiungerci e quindi è più debole di quanto previsto dai modelli di universo senza alcuna costante cosmologica.

L’altro giorno però, uno studio apparso su Scentific Reports di Nature [2] sembrava rimettere in discussione che l’espansione dell’Universo stesse accelerando. In realtà non è proprio così, il senso dell’articolo a mio avviso non è stato compreso del tutto e di conseguenza anche la notizia è stata distorta.
In pratica gli autori della ricerca, tra cui figura anche l’italiano Alberto Guffanti dellUniversità di Torino, hanno suggerito che in base a un nuovo campione di 740 supernovae (SN) del tipo 1a  1 non possono esserci prove evidenti che l’espansione dell’Universo sta accelerando e che le nuove loro analisi sono consistenti piuttosto con un modello di espansione costante.

Gli altri studi che confermano l’attuale modello  \(\Lambda CBM\)

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Anisotropie di temperatura nella CMBR (± 200 microKelvin) rilevate dal satellite WMAP. Queste microvariazioni nella densità della materia sarebbero all’origine degli ammassi di galassie. La loro dimensione paragonata alle dimensioni degli ammassi di galassie successivi mostra che l’espansione dell’Universo sta accelerando.

Così, giusto per chiarire, che l’espansione dell’Universo stia accelerando non sono solo le misure fotometriche delle diverse supernovae a dirlo. Dall’anno della scoperta del fenomeno, il 1998, gli astronomi hanno cercato, e trovato, altre prove indipendenti a sostegno di questa tesi [3], mentre nuove misure e ricalibrazioni delle candele standard suggeriscono che l’accelerazione potrebbe essere ancora più accentuata [4].
Spiegare nel  dettaglio ognuno di questi porterebbe troppo lontano. Una di queste fa riferimento alle dimensioni dell’impronta delle oscillazioni acustiche dei barioni rilevate nella radiazione cosmica di fondo (CMBR) 2 e alla distribuzione delle dimensioni degli ammassi di galassie nel corso del tempo [5].
Altre conferme dell’attuale modello \(\Lambda CBM\) provengono dalla distribuzione di massa degli ammassi di galassie e perfino dal calcolo dell’età del1l’Universo [6] [7].

Il  nuovo studio

L'effettto Sachs-Wolfe integrato.Credit: Istituto di astronomia dell'Università delle Hawaii

L’effettto Sachs-Wolfe integrato. Questo meccanismo potrebbe essere invocato per spiegare l’arrossamento locale della luce per effetto della gravità.
Credit: Istituto di astronomia dell’Università delle Hawaii

In realtà i ricercatori affermano appunto che stando alle loro ricerche basate su un numero molto maggiore di SNe le analisi – interpretate col modello attuale, quindi quello di un universo descritto per comodità di calcolo come esattamente omogeneo e che si comporta come un gas ideale, tenetelo a mente – dei dati indicano che esse non potrebbero fornire una prova certa dell’attuale modello. Gli amanti della statistica potrebbero trovare interessante che la distribuzione delle probabilità descritte da questo studio che questo Universo si trovi in uno stato di espansione accelerata è \(\lesssim\) 3 \(\sigma\) (circa lo stesso o di poco minore ai 3 sigma).
Se questa ricerca fosse confermata, in proposito lo strumento CODEX presso l’European Extremely Large Telescope (E-ELT) dovrebbe poter presto indicare dove e cosa cercare, si aprirebbero nuove possibilità: come spiegare che le fluttuazioni acustiche dei barioni nella CMBR che riflettono quello che osserviamo oggi nell’Universo? E la distribuzione della massa degli ammassi di galassie? Un modello interessante per spiegare alternativamente quello che osserviamo nella luce delle SNe è l’effetto Sachs-Wolfe integrato [8], un arrossamento della luce causato dalla curvatura locale dello spazio dovuta alla gravità.
Questa chiave di lettura porterebbe inevitabilmente al ripensamento dei modelli di universo non più intesi come oggetti esattamente omogenei  e isotropi ma più come spazio vuoto con un ruolo più marcato della componente massa/energia a livello locale. Gli autori della ricerca in fondo questo dicono: il modello a CDM corretto per tenere conto della componente repulsiva attribuita all’energia oscura e indicata come costante cosmologica \(\Lambda\) è vecchio e sorpassato dalle nuove scoperte e conoscenze. È ora che esso venga ripensato.

Note:

  1. Le supernovae di tipo 1a sono molto importanti in cosmologia in quanto hanno tutte origine col medesimo meccanismo. Il modello standard per questa classe di supernove suggerisce che in un sistema binario stretto la più la massiccia delle due componenti si evolva fuoriuscendo dalla sequenza principale diventando una gigante rossa. L’altra stella pertanto inizia a strappare la materia dalla stella più evoluta, mentre l’orbita reciproca, per attrito, decade. In  questo modo la stella gigante perde la maggior parte dei suoi strati superficiali lasciando scoperto il suo nucleo, composto prevalentemente da carbonio e ossigeno convertendosi in una nana bianca. La stella che in origine era più piccola o che comunque all’inizio era ancora dentro la sequenza principale si converte a sua volta in gigante. A questo punto, data l’esigua distanza delle due stelle, parte del gas della nuova gigante viene ritrasferito verso la nana bianca, aumentandone la massa fino al limite di Chandrasekhar, 1.44 masse solari, limite oltre il quale l’equilibrio termodinamico della materia ormai degenere diventa insufficiente a contrastare il collasso gravitazionale.
    Il comune meccanismo di innesco fa sì che questa classe abbia anche le altre caratteristiche molto simili, spettro, curva di luce e luminosità assoluta molto simili. Per questo sono ottime candele standard su cui calcolare le distanze extragalattiche.
  2. Nonostante l’episodio inflattivo subito dopo il Big Bang, la gravità che tendeva al collasso e il calore espresso dall’interazione tra la materia e i fotoni che tendeva alla sua dispersione, generava onde acustiche di pressione nel neonato Universo. Il risultato di queste oscillazioni di densità sono quelle che oggi vediamo come anisotropie nella radiazione cosmica di fondo e che non sono altro che i semi da cui hanno avuto origine gli ammassi di galassie e le galassie.

Riferimenti:

  1. U. Genovese, "Zenone, Olbers e l’energia oscura (terza parte) - Il Poliedrico", Il Poliedrico, 2016. https://ilpoliedrico.com/2016/07/zenone-olbers-lenergia-oscura-terza-parte.html
  2. J.T. Nielsen, A. Guffanti, and S. Sarkar, "Marginal evidence for cosmic acceleration from Type Ia supernovae", Scientific Reports, 2016. http://www.nature.com/articles/srep35596
  3. Y. Wang, and P. Mukherjee, "Robust Dark Energy Constraints from Supernovae, Galaxy Clustering, and Three-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Observations", arXiv.org, 2006. https://arxiv.org/abs/astro-ph/0604051v2
  4. A.G. Riess, L.M. Macri, S.L. Hoffmann, D. Scolnic, S. Casertano, A.V. Filippenko, B.E. Tucker, M.J. Reid, D.O. Jones, J.M. Silverman, R. Chornock, P. Challis, W. Yuan, P.J. Brown, and R.J. Foley, "A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant", arXiv.org, 2016. https://arxiv.org/abs/1604.01424
  5. D.J. Eisenstein, I. Zehavi, D.W. Hogg, R. Scoccimarro, M.R. Blanton, R.C. Nichol, R. Scranton, H. Seo, M. Tegmark, Z. Zheng, S.F. Anderson, J. Annis, N. Bahcall, J. Brinkmann, S. Burles, F.J. Castander, A. Connolly, I. Csabai, M. Doi, M. Fukugita, J.A. Frieman, K. Glazebrook, J.E. Gunn, J.S. Hendry, G. Hennessy, Z. Ivezić, S. Kent, G.R. Knapp, H. Lin, Y. Loh, R.H. Lupton, B. Margon, T.A. McKay, A. Meiksin, J.A. Munn, A. Pope, M.W. Richmond, D. Schlegel, D.P. Schneider, K. Shimasaku, C. Stoughton, M.A. Strauss, . Mark SubbaRao, A.S. Szalay, I. Szapudi, D.L. Tucker, B. Yanny, and D.G. York, "Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies", The Astrophysical Journal, 0. http://iopscience.iop.org/article/10.1086/466512
  6. P. Astier, and R. Pain, "Observational Evidence of the Accelerated Expansion of the Universe", arXiv.org, 2012. https://arxiv.org/abs/1204.5493
  7. . @CUPAcademic, "Formation of Structure in the Universe", Cambridge University Press, 1999. http://www.cambridge.org/it/academic/subjects/astronomy/cosmology-and-relativity/formation-structure-universe
  8. U. Genovese, "Energia oscura e anisotropia nella radiazione cosmica di fondo - Il Poliedrico", Il Poliedrico, 2012. https://ilpoliedrico.com/2012/09/energia-oscura-e-anisotropia-nella-radiazione-cosmica-di-fondo.html

Umberto Genovese

Autodidatta in tutto - o quasi, e curioso di tutto - o quasi. L'astronomia è una delle sue più grandi passioni. Purtroppo una malattia invalidante che lo ha colpito da adulto limita i suoi propositi ma non frena il suo spirito e la sua curiosità. Ha creato il Blog Il Poliedrico nel 2010 e successivamente il Progetto Drake (un polo di aggregazione di informazioni, articoli e link sulla celebre equazione di Frank Drake e proposto al l 4° Congresso IAA (International Academy of Astronautics) “Cercando tracce di vita nell’Universo” (2012, San Marino)) e collabora saltuariamente con varie riviste di astronomia. Definisce sé stesso "Cercatore".

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