Crisi del modello cosmologico standard. L’universo sembra più sottile

Sembra che il cosmo stia cominciando a comportarsi in modo strano! Da alcuni anni a questa parte, una discrepanza nella velocità di espansione dell’universo sta destando qualche perplessità tra i cosmologi, al punto di creare una vera e propria crepa nel modello standard della cosmologia.

Utilizzando la luce proveniente dall’universo primordiale, si sa quale sia la velocità di espansione dell’universo; ma sembra che l’attuale universo si stia muovendo con una velocità più elevata – un indizio, che forse gli scienziati avrebbero trascurato uno dei fondamentali componenti dell’universo, o alcuni aspetti di come queste componenti si mescolano insieme.

Potrebbe quindi determinarsi una seconda crepa nel cosiddetto modello standard cosmologico. Tempo fa, alcuni scienziati hanno annunciato che l’attuale universo sembra essere leggermente più sottile. Le galassie, i gas e altre forme di materia non si sarebbero aggregate secondo quanto previsto dal modello. Alcuni studi precedenti avevano già suggerito questa ipotesi, ma queste nuove analisi, basate sull’acquisizione di sette anni di dati, rappresenta la più chiara indicazione dell’anomalia riscontrata.

Come la maggior parte delle misurazioni su strutture a larga scala dell’universo attuale, lo studio in questione è segnato da difficoltà tecniche. Inoltre, è possibile, sebbene poco probabile, che i risultati siano dovuti al caso. In ogni caso, alcuni ricercatori si chiedono se la tendenza a svolgere ricerche sempre più particolari non conduca alla scoperta di un nuovo agente cosmico.

L’aspetto negativo legato allo studio dell’universo attuale è che esso risulta, per la maggior parte, invisibile. Gli astronomi riescono ad avere una prospettiva generale, sulla base delle aggregazioni di galassie. Ma non riescono a percepire i fiochi filamenti di gas che intrecciano insieme questi nodi per formare l’immensa rete cosmica. Peggio ancora, molti credono che queste galassie e queste scie di gas siano poco più che degli elementi decorativi posti su una robusta struttura di materia oscura invisibile, che costituisce la maggior parte della massa dell’universo.

La nuova ricerca rappresenta, finora, la più raffinata implementazione di una tecnica per rivelare ciò che non si vede. Nel suo viaggio verso la Terra, la luce proveniente da una galassia distante, passa attraverso fibre di materia e nuvole di gas. Queste attirano gravitazionalmente la luce, creando dei nodi nel suo percorso.

Nell’intervallo di tempo che impiega la luce della galassia per raggiungere un telescopio terrestre, essa viene sottilmente distorta – e forse schiacciata fino a raggiungere la forma di un’ellisse. Gli astronomi, quindi, cercano di mappare la materia oscura invisibile, misurando le distorsioni statistiche delle forme di un grande numero di galassie, in una vasta area del cielo.

Nel corso di questa nuova ricerca, il gruppo di scienziati del Kilo-Degree Survey – KIDS – ha osservato circa 31 milioni di galassie, distanti fino a 10 miliardi di anni-luce. Queste osservazioni sono state quindi utilizzate per calcolare le distribuzioni medie del gas e della materia oscura nascosti nell’universo. Sono stati trovati degli aggregati di materia oscura, che sono di circa il 10% più sottili di quanto previsto dal modello cosmologico – la Lambda Cold Dark Matteri, o ɅCDM.

Statisticamente, la differenza è tale che le probabilità che i dati aggiuntivi vengano cancellati è di circa 1 su 1.400 – molto al di sotto dello standard rigoroso di 1 su 1.7 milioni, ma abbastanza da far preoccupare un po’.

Inoltre, c’è anche da dire che altre osservazioni, indipendenti da quelle del KIDS, supportano la scoperta che l’universo attuale appaia troppo sottile.

Michael Hudson, un cosmologo della University of Waterloo in Canada, non coinvolto nella ricerca oggetto di questo articolo, ha provato a decifrare l’universo nascosto osservando il moto delle galassie rispetto alle correnti cosmiche. Se la materia fosse perfettamente distribuita come sabbia sottile, l’espansione dell’universo spingerebbe lontano tutti gli oggetti, in un movimento di deriva noto come flusso di Hubble.

Ma l’universo è pieno di spazi vuoti e di superammassi ricchi di materia oscura. L’attrazione gravitazionale dei superammassi avvicina le galassie fra di loro, mentre i vuoti le lasciano andare liberamente. Misurando le velocità peculiari delle supernove – ovvero, quanto deviano dal loro flusso di Hubble locale – Hudson e i suoi collaboratori creano le loro proprie mappe della massa nascosta del cosmo.

Già nel 2015, Hudson, per la prima volta, aveva intuito che l’universo non si era aggregato abbastanza, e le successive mappe della velocità peculiare hanno mostrato la medesima preoccupante fluidità. Lo scorso mese di luglio, Hudson ha pubblicato un lavoro nel quale si deduce un’anomala carenza di aggregazione dell’universo, così come era stato rilevato dall’esperimento KIDS.

Inoltre, negli ultimi otto anni, almeno una dozzina di indagini, utilizzando tecniche differenti, hanno riscontrato la presenza di una maggiore sottigliezza dell’universo attuale. Qualunque studio, preso isolatamente, assume poco significato, ma alcuni cosmologi cominciano a sospettare che tutte le sperimentazioni scendano sotto la previsione teorica, piuttosto che cercare di uniformarsi a essa.

Quando si comincia a vedere la medesima cosa in set di dati differenti, allora è il momento di considerare che questa cosa stia raccontando la verità.

Se questi risultati rappresentano un messaggio dall’universo, il suo significato rimane poco chiaro. Il modello standard della cosmologia si adatta così bene alle osservazioni, che, volenti o nolenti, i teorici non possono aggiungere arbitrariamente nuovi pezzi. Le più precise misure dell’universo primordiale sono da attribuirsi alla collaborazione Planck, che ha pubblicato i risultati finali nel 2018. Oggi risulta molto difficile trovare qualcosa di nuovo che non sia in contraddizione con i risultati del Planck.

Bisogna però considerare che l’architettura scientifica posta dalla collaborazione Planck, presenta alcuni punti deboli, che hanno formato oggetto di studio per i teorici, alla ricerca della più adeguata spiegazione possibile all’inatteso aumento di velocità di espansione.

Si cerca di portare a termine due compiti contraddittori. Per risolvere il problema originale dell’universo in espansione, i teorici necessitano di un fenomeno che darebbe all’universo una maggiore spinta verso l’esterno. Ma, per risolvere la nuova anomalia, c’è bisogno di indebolire l’influenza gravitazionale che permette all’universo di ammassarsi. La soluzione contemporanea dei due problemi rappresenta un incubo per la comunità scientifica coinvolta.

Per esempio, per far ripartire l’espansione, alcuni teorici hanno cercato di aggiungere radiazione oscura all’universo primordiale. Questa radiazione aggiuntiva doveva però essere bilanciata con una certa quantità di materia aggiuntiva, che avrebbe addensato maggiormente l’universo. Pertanto, per arrivare all’universo che oggi viene osservato, questo gruppo di teorici deve inventare delle interazioni extra tra i vari componenti oscuri, per ottenere il giusto spessore dell’universo.

Un’altra possibilità è che la materia oscura, che tiene insieme l’universo, si trasformi in energia oscura, che tende a spostare l’universo. O forse la Terra si trova in un’ampia zona di vuoto, distorcendo le nostre osservazioni. Oppure, le due anomalie non sono in alcun modo correlate.

Una maggiore disponibilità di dati permetterebbe di risolvere una, o entrambe, le problematiche. KIDS è oggi uno dei tre esperimenti in corso sulle lenti gravitazionali deboli, assieme al Dark Energy Survey in Cile e al Hyper Suprime-Cam giapponese, che ha il suo telescopio Subaru alle Hawaii. Ognuno di questi osservatori effettua delle scansioni di differenti regioni del cielo, a profondità differenti.

I risultati dell’ultima campagna sperimentale del Dark Energy Survey, che ha coperto un’area del cielo 5 volte superiore a quella di KIDS, saranno resi noti nei prossimi mesi, e rappresenteranno, per la comunità scientifica, un importante passaggio nel mondo della cosmologia.

Sicuramente il team del KIDS ha svolto un ottimo lavoro nel condurre la tecnologia verso nuove frontiere di precisione, ma è anche vero che un’enorme quantità di sfide tecniche rende difficile leggere in profondità dentro ogni osservazione. A una distanza di miliardi di anni-luce, le galassie appaiono come dei puntini, e l’analisi della loro forma diventa alquanto complicata. Inoltre i ricercatori hanno bisogno di sapere quanto sia lontana ogni singola galassia, e il modo in cui vengono trattate le incertezze che accompagnano queste distanze possono ridurre o ingigantire le problematiche trattate.

Fonte: quantamagazine.org