Uno dei più grandi misteri della cosmologia riguarda il tasso di espansione dell’universo. Questo può essere predetto utilizzando il modello standard della cosmologia, noto anche come Lambda-cold dark matter (ΛCDM). Questo modello si basa su osservazioni dettagliate della luce lasciata dal Big Bang, la cosiddetta radiazione cosmica di fondo (CMB).
L’espansione dell’universo fa sì che le galassie si allontanino l’una dall’altra. Più sono distanti da noi, più velocemente si muovono. La relazione tra la velocità di una galassia e la sua distanza è governata dalla “costante di Hubble”, che è di circa 70 km al secondo per Megaparsec (un’unità di lunghezza in astronomia). Ciò significa che una galassia guadagna circa 80.000 chilometri all’ora per ogni milione di anni luce che si allontana da noi.
Ma sfortunatamente per il modello standard, questo valore è stato recentemente contestato, portando a quello che gli scienziati chiamano “tensione di Hubble”. Quando misuriamo il tasso di espansione utilizzando galassie vicine e supernove (stelle che esplodono), è del 10% più grande rispetto a quando lo prevediamo in base alla CMB.
In un nuovo articolo, alcuni ricercatori presentano una possibile spiegazione: di come viviamo in un gigantesco vuoto nello spazio (un’area con densità al di sotto della media). Mostrano che questo potrebbe gonfiare le misurazioni locali attraverso i deflussi di materia dal vuoto. I deflussi si verificherebbero quando regioni più dense che circondano un vuoto lo separano: eserciterebbero un’attrazione gravitazionale maggiore rispetto alla materia a densità inferiore all’interno del vuoto.
In questo scenario, dovremmo trovarci vicino al centro di un vuoto di circa un miliardo di anni luce di raggio e con una densità di circa il 20% al di sotto della media dell’universo nel suo complesso, quindi non completamente vuoto.
Un vuoto così grande e profondo è inaspettato nel modello standard – e quindi controverso. La CMB fornisce uno scatto della struttura nell’universo infantile, suggerendo che la materia oggi dovrebbe essere piuttosto uniformemente distribuita. Tuttavia, il conteggio diretto del numero di galassie in diverse regioni suggerisce effettivamente che ci troviamo in un vuoto locale.
Modificando le leggi della gravità
Hanno voluto testare ulteriormente questa idea confrontando molte diverse osservazioni cosmologiche assumendo che viviamo in un grande vuoto che è cresciuto da una piccola fluttuazione di densità ai tempi antichi.
Per fare ciò, il loro modello non ha incorporato ΛCDM, ma una teoria alternativa chiamata Modified Newtonian Dynamics (MOND).
MOND è stato originariamente proposto per spiegare le anomalie nelle velocità di rotazione delle galassie, che hanno portato alla suggestione di una sostanza invisibile chiamata “materia oscura”. MOND suggerisce invece che le anomalie possono essere spiegate dal fatto che la legge di gravità di Newton si rompe quando l’attrazione gravitazionale è molto debole – come è il caso nelle regioni esterne delle galassie.
L’andamento complessivo dell’espansione cosmica in MOND sarebbe simile al modello standard, ma la struttura (come i cluster di galassie) crescerebbe più velocemente in MOND. Il loro modello cattura come potrebbe apparire l’universo locale in un universo MOND. E hanno scoperto che consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione oggi di fluttuare a seconda della nostra posizione.
Recenti osservazioni delle galassie hanno permesso un nuovo test cruciale del loro modello basato sulla velocità che prevede in diverse posizioni. Questo può essere fatto misurando qualcosa chiamato flusso bulk, che è la velocità media della materia in una sfera data, densa o meno. Questo varia con il raggio della sfera, con osservazioni recenti che mostrano che continua fino a un miliardo di anni luce.
È interessante notare che il flusso bulk delle galassie su questa scala ha una velocità quadrupla rispetto a quella prevista dal modello standard. Sembra anche aumentare con le dimensioni della regione considerata, il che è contrario a quanto predice il modello standard. La probabilità che questo sia coerente con il modello standard è inferiore a uno su un milione.
Ciò li ha spinto a vedere cosa predice il loro studio per il flusso bulk. Hanno scoperto che corrisponde piuttosto bene alle osservazioni. Questo richiede che siamo abbastanza vicini al centro del vuoto e che il vuoto sia più vuoto al suo centro.
Caso chiuso?
I risultati giungono in un momento in cui le soluzioni popolari alla tensione di Hubble sono in difficoltà. Alcuni credono che abbiamo semplicemente bisogno di misurazioni più precise. Altri pensano che si possa risolvere assumendo che il alto tasso di espansione che misuriamo localmente sia effettivamente quello corretto. Ma questo richiede un piccolo aggiustamento della storia dell’espansione all’inizio dell’universo in modo che la CMB sembri comunque corretta.
Sfortunatamente, una revisione influente evidenzia sette problemi con questo approccio. Se l’universo si fosse espanso del 10% più velocemente per la maggior parte della sua storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% più giovane – contraddicendo le età delle stelle più antiche.
L’esistenza di un vuoto locale profondo ed esteso nei conteggi delle galassie e i flussi bulk osservati velocemente suggeriscono fortemente che la struttura si sviluppi più velocemente di quanto previsto in ΛCDM su scale di decine a centinaia di milioni di anni luce.
È interessante notare che sappiamo che il massiccio ammasso di galassie El Gordo si è formato troppo presto nella storia cosmica e ha una massa e una velocità di collisione troppo elevate per essere compatibile con il modello standard. Questo è un ulteriore elemento di prova che la struttura si forma troppo lentamente in questo modello.
Poiché la gravità è la forza predominante su tali scale enormi, è molto probabile che dovremmo estendere la teoria della gravità di Einstein, la Relatività Generale, ma solo su scale più grandi di un milione di anni luce.
Tuttavia, non abbiamo un buon modo per misurare come si comporta la gravità su scale molto più grandi: non ci sono oggetti gravitazionalmente legati così enormi. Possiamo presumere che la Relatività Generale rimanga valida e confrontarla con le osservazioni, ma è proprio questo approccio che porta alle tensioni molto gravi attualmente affrontate dal nostro migliore modello di cosmologia.
Si pensa che Einstein abbia detto che non possiamo risolvere i problemi con lo stesso modo di pensare che li ha causati in primo luogo. Anche se le modifiche richieste non sono drastiche, potremmo benissimo essere testimoni della prima evidenza affidabile da più di un secolo che abbiamo bisogno di cambiare la nostra teoria della gravità.
