La teoria della relatività generale è uno dei fondamenti fondamentali della fisica. Spiega come si comportano lo spazio e il tempo e la loro stretta relazione con la forza che domina l’universo: la gravità.
Secondo la relatività generale, la gravità non è altro che la curvatura dello spaziotempo. La teoria condensa nelle sue equazioni il rapporto tra materia, energia e geometria dello spaziotempo. Come ha detto John Wheeler :
“la materia dice allo spazio come curvarsi e lo spazio dice alla materia come muoversi”.
Indice
100 anni dopo Einstein
La relatività generale fu formulata da Albert Einstein nel 1915. Pertanto, gli scienziati ne esplorano le straordinarie conseguenze e lo mettono alla prova da più di 100 anni.
Grazie alla relatività generale stiamo scoprendo oggetti che prima non potevamo nemmeno immaginare, come le nane bianche, le stelle di neutroni o i famosissimi e affascinanti buchi neri.
Ma la relatività generale ha molto di più. Ha permesso la scoperta dell’espansione dell’universo, lo sviluppo della teoria del Big Bang e l’osservazione di fenomeni sconvolgenti come le lenti gravitazionali o la dilatazione del tempo dovuta alla gravità. È presente anche nella nostra vita quotidiana, poiché senza di esso sarebbe impossibile avere navigatori GPS. L’elenco delle conseguenze verificate della teoria di Einstein è enormemente lungo.
In effetti, i test a cui è stata sottoposta sono stati sempre più impegnativi e la teoria li ha superati brillantemente.
Onde gravitazionali e buchi neri
Le ultime dimostrazioni sono state la rilevazione diretta delle onde gravitazionali, prevista da Einstein nel 1916, e le prime immagini di un buco nero.
Solo ora stiamo raggiungendo uno sviluppo tecnologico sufficiente per testare la relatività generale su scala cosmologica. Questo è ciò che è appena riuscito a realizzare il progetto DESI ( Dark Energy Spectroscopic Instrument ).
Il progetto DESI
DESI è un grande progetto internazionale a cui partecipano più di 900 ricercatori provenienti da 16 paesi e 70 istituzioni scientifiche. Alcuni dei suoi obiettivi principali sono lo studio preciso del modello standard della cosmologia (la teoria ΛCDM), la misurazione delle proprietà fisiche dell’energia oscura e lo studio della relatività generale sulle scale più grandi possibili.
Tutto questo creando gigantesche mappe dell’universo, mappando la posizione e la velocità di milioni di galassie e quasar. Per raggiungere questi obiettivi, il team internazionale ha costruito un sistema spettrografico completo in grado di ottenere gli spettri di 5.000 oggetti celesti simultaneamente, circa 10 volte di più rispetto a qualsiasi progetto precedente.
Il DESI raccoglie dati da poco più di 3 anni e si prevede che continuerà per almeno altri 2 anni. Durante questo periodo si accumuleranno più di 40 milioni di galassie e quasar.
Lo strumento è installato sul telescopio Mayall del Kitt Peak Observatory in Arizona, USA. I risultati appena resi pubblici corrispondono all’analisi scientifica dei dati del primo anno (ripresa tra aprile 2021 e maggio 2022), ma sono già disponibili. ha prodotto la mappa tridimensionale dell’universo più completa costruita fino ad oggi. È più grande dell’insieme di tutte le precedenti mappe spettroscopiche messe insieme.
Il campione di dati analizzato contiene circa 6 milioni di galassie e quasar situate a distanze comprese tra 1 miliardo e 11 miliardi di anni luce dalla Terra, consentendo di studiare la storia dell’universo con un dettaglio senza precedenti.
Le strutture crescono come proposto da Einstein
Nonostante abbia analizzato solo i dati del primo anno, DESI è già riuscito a effettuare le misurazioni più precise della crescita delle strutture dell’universo.
Le strutture contenute nel nostro cosmo (galassie, ammassi di galassie, superammassi di galassie) si formano grazie all’azione attrattiva della forza di gravità. Se questo è molto intenso, le strutture cresceranno più velocemente e saranno più grandi. Al contrario, se la gravità è meno intensa, cresceranno più lentamente e saranno più piccole.
Misurando con precisione la crescita della struttura nel corso della storia dell’universo, come ha fatto DESI, possiamo determinare le proprietà di questa forza, che è quella che domina l’universo. È il test più preciso della storia della forza di gravità su scala cosmologica e, ancora una volta, la relatività generale lo ha superato con grande brillantezza. Einstein ha ancora ragione.
I neutrini nella formazione delle strutture cosmiche
I risultati ottenuti dal DESI permettono di ottenere informazioni anche sui neutrini.
Sappiamo che esistono tre diversi tipi di neutrini e sappiamo anche che sono particelle massicce. Il DESI ha permesso di ottenere nuove informazioni sul valore delle sue masse. Questo è un risultato molto interessante perché i neutrini sono le uniche particelle elementari di cui non è stata ancora misurata la massa.
Il motivo è che le masse di queste particelle sono così piccole che gli attuali esperimenti di laboratorio non sono abbastanza sensibili per misurarle. Tuttavia, poiché nell’universo sono presenti molti neutrini, pur avendo una massa molto piccola, essi influenzano la formazione delle strutture.
Poiché sono particelle così leggere, la gravità agisce poco su di loro, rendendo più difficile la formazione di strutture di grandi dimensioni. Ed è tanto più difficile quanto più piccole sono le sue masse. Tenendo conto di tutto ciò, lo studio dettagliato effettuato dal DESI permette di stabilire un valore massimo per la somma delle masse dei tre tipi di neutrini: 0,071 eV/c². Per riferimento, la massa di un protone è di circa 1 miliardo di eV/c².
Esperimenti di fisica delle particelle hanno stabilito un limite inferiore per la somma delle masse: 0,058 eV/c². Rimane quindi una finestra molto piccola per i possibili valori delle masse dei neutrini. Man mano che i risultati DESI migliorano, questa finestra diventerà sempre più stretta finché non saremo finalmente in grado di determinarne il valore.
Inoltre, la combinazione dei risultati DESI con altre osservazioni cosmologiche fornisce prove che mettono in discussione l’attuale modello teorico dell’universo, ΛCDM. I dati combinati del DESI e di altri esperimenti sembrano indicare che l’energia oscura potrebbe cambiare nel tempo, un risultato di enorme interesse che potrebbe essere il primo indizio che l’attuale teoria necessita di essere ampliata con nuova fisica.
Potremmo essere testimoni dei primi passi di una rivoluzione nella nostra comprensione del cosmo. Rimani sintonizzato.
