Da più di un secolo, gli scienziati sanno che l'universo si sta espandendo dal big bang , l'evento primordiale che ha dato inizio a tutto circa miliardi di anni fa .
Ma finora, non sono stati in grado di risolvere un problema complicato. Quanto velocemente si sta espandendo? Questo perché c'è una disparità tra il tasso stimato basato sulla radiazione lasciata dal big bang, noto come fondo cosmico a microonde, o CMB in gergo scientifico, e il ritmo significativamente più veloce basato sulle osservazioni delle supernovae. Il tasso di espansione dell'universo è noto come la costante di Hubble, quindi la disparità viene definita "tensione di Hubble".
Gli scienziati hanno creduto che la continua espansione dell'universo sia stata guidata da una forza chiamata energia oscura, che sembra aver iniziato a invertire la decelerazione dell'universo 7 o 8 miliardi di anni dopo il big bang.
Che cos'è l'energia oscura?
"L'energia oscura è un'ipotetica fonte di energia nell'universo di oggi che, secondo la nostra migliore comprensione dell'universo, comprende circa il 70 percento dell'energia totale nell'universo", spiega Glenn Starkman , un distinto professore universitario e co-presidente del dipartimento di fisica della Case Western Reserve University.
"La prova principale della sua esistenza è l'espansione accelerata dell'universo che sembra essere andata avanti negli ultimi miliardi di anni", afferma Starkman. "Per guidare una tale espansione è necessaria una fonte di energia che non diventi più diluita (o si diluisce molto poco) man mano che l'universo si espande. Questo squalifica la maggior parte delle fonti di energia - ad esempio, la materia ordinaria o la materia oscura, entrambe le quali diventano meno denso man mano che l'universo diventa più grande. Il modello più semplice dell'energia oscura è che è la densità di energia immutabile associata allo spazio vuoto. Pertanto, se lo spazio si espande, la densità dell'energia oscura rimarrebbe costante. "
Ma ci sono molte cose che non sono spiegate sull'energia oscura, incluso il motivo per cui non è sempre esistita. E anche l'inclusione dell'energia oscura nel modello standard non risolve la disparità tra le due misurazioni dell'espansione cosmica.
E la prima energia oscura?
Ma due nuovi studi, ancora da pubblicare, entrambi basati su dati raccolti tra il 2013 e il 2016 dall'Atacama Cosmology Telescope (ACT) , possono aiutare a indicare una possibile soluzione per un problema. I ricercatori credono di aver trovato tracce di un tipo di energia oscura "precoce" che esisteva nei primi 300.000 anni dopo il big bang. Questo recente articolo su Nature di Davide Castelvecchi ha pubblicizzato per la prima volta i due documenti, uno del team ACT e l' altro di un gruppo indipendente che includeva Vivian Poulin , un'astrofisica dell'Università di Montpellier in Francia, e i colleghi Tristian L. Smith e Alexa Bartlett dello Swarthmore College.
L'idea della prima energia oscura inizialmente è stata proposta alcuni anni fa da Poulin, allora borsista post-dottorato alla Johns Hopkins University, Smith e colleghi, come un modo per risolvere la questione.
"L'energia oscura precoce è una proposta per un'altra forma di energia oscura, cioè non ovviamente correlata all'energia oscura che causa l'espansione accelerata di oggi", spiega Starkman. EDE "avrebbe avuto un ruolo importante nell'universo molto tempo fa, quando l'universo era circa 10.000 volte più piccolo e più caldo di quanto non sia attualmente". È un concetto, dice, che "è stato ideato per risolvere alcuni misteriosi disaccordi sulla storia del tasso di espansione dell'universo".
Come spiega l'articolo di Nature, l'energia oscura iniziale non sarebbe stata abbastanza forte da causare l'espansione accelerata dell'universo miliardi di anni dopo. Lo avrebbe invece indirettamente influenzato, facendo raffreddare più rapidamente la miscela di particelle elementari, o plasma , formatasi poco dopo il big bang. Ciò, a sua volta, influenzerebbe il modo in cui dovrebbe essere misurato il fondo cosmico a microonde - in particolare le misurazioni dell'età e del tasso di espansione dell'universo basate su quanto lontano potrebbero viaggiare le onde sonore nel plasma prima che si raffreddi in gas - e si tradurrà in un più veloce tasso di espansione che è più vicino a quello che gli astronomi calcolano in base agli oggetti celesti.
L'energia oscura precoce è una soluzione teorica complicata, ma "è l'unico modello che possiamo far funzionare", come ha spiegato a Nature il fisico teorico della Johns Hopkins University Mark Kamionkowski , uno degli autori del primo articolo sull'energia oscura del 2018.
La conclusione non è chiara
I due studi potrebbero aiutare a rafforzare la tesi dell'energia oscura precoce, ma uno dei ricercatori coinvolti afferma di non essere ancora del tutto convinto e avverte che è necessario più lavoro per giungere a una conclusione chiara.
"Sono stato scettico sui primi modelli di energia oscura a causa dei problemi che devono affrontare nell'abbinamento di misurazioni ad alta precisione della distribuzione su larga scala delle galassie e della materia nell'universo ("struttura su larga scala" o LSS)" Columbia University assistente professore di fisica J. Colin Hill , coautore dello studio del team ACT, osserva in una e-mail. (La messa in discussione del concetto da parte di Hill si riflette in questo articolo di cui è stato coautore nel 2020, e anche in un articolo successivo , e cita anche un altro articolo di altri ricercatori che solleva complicazioni simili.)
"Il risultato dei tre articoli collegati sopra è che i primi modelli di energia oscura che si adattano ai dati CMB e ai dati Riess, et al., H0 producono previsioni per LSS che non corrispondono ai dati di queste indagini", scrive Hill nel e-mail. "Così, abbiamo concluso che è probabilmente necessario un modello teorico diverso, o almeno una modifica dello scenario iniziale dell'energia oscura".
Nel nuovo studio che i colleghi di Hill e ACT hanno appena pubblicato, non hanno considerato i dati LSS nell'analisi e si sono invece concentrati quasi esclusivamente sui dati CMB. "L'obiettivo era davvero vedere se i dati di Planck e ACT CMB davano risultati coerenti nel primo contesto dell'energia oscura. Abbiamo scoperto che danno risultati in qualche modo diversi, il che è un grande enigma che ora stiamo lavorando duramente per cercare di capire. Dal mio prospettiva, il problema LSS per il primo scenario di energia oscura rimane irrisolto".
"Inoltre, i dati di Planck da soli (che rimangono il set di dati più preciso in cosmologia) non mostrano una preferenza per l'energia oscura iniziale", spiega Hill. "Quindi, nonostante i suggerimenti che abbiamo visto nei dati ACT per la prima energia oscura, rimango cauto sul fatto che questo modello possa davvero essere la storia finale. Avremo bisogno di più dati per scoprirlo".
Se esistesse, la prima energia oscura sarebbe stata simile alla forza che si ritiene guidi l'attuale tasso di espansione dell'universo. Ma richiederebbe comunque un significativo ripensamento del modello teorico.
"La differenza principale è che questa prima energia oscura deve svolgere un ruolo solo per un breve periodo nella storia cosmica, e poi deve 'svanire'", afferma Hill. "Per raggiungere questo obiettivo, costruiamo modelli di fisica delle particelle di un nuovo campo (tecnicamente, un campo di assioni) che agisce per accelerare brevemente l'espansione dell'universo prima della ricombinazione, ma poi svanisce rapidamente e diventa irrilevante".
"Al contrario, l'attuale quadro principale per l'energia oscura standard è che si tratta semplicemente di una costante cosmologica, probabilmente proveniente dall'energia del vuoto", continua Hill. "Questa forma di energia non cambia con il tempo. È possibile, tuttavia, che l'energia oscura standard possa essere dovuta a qualche nuovo campo fondamentale che non abbiamo ancora compreso. In questo caso, potrebbe benissimo evolversi nel tempo, e potrebbe quindi avere qualche somiglianza con il primo modello di energia oscura discusso sopra."
"Ancora una volta, avremo bisogno di più dati per sondare queste domande in modo più preciso e, si spera, trovare risposte nel prossimo decennio", afferma Hill. "Fortunatamente, molti potenti esperimenti saranno presto disponibili". Menziona strutture come l' Osservatorio Simons , che studierà il CMB, così come l' Osservatorio Rubin ei telescopi spaziali Euclid e Roman , che raccoglieranno nuove informazioni sull'LSS. "Dovrebbe essere molto eccitante vedere cosa troviamo", dice.
Ecco un video di YouTube in cui Hill parla dell'energia oscura iniziale:
Starkman dice che è importante stare attenti con tali affermazioni "straordinarie", a meno che le prove non siano chiare e convincenti. Come sottolinea, ci sono anche prove contro EDE. "I risultati attuali mostrano crescenti tensioni tra due serie di dati sperimentali dell'osservazione del fondo cosmico a microonde - dal satellite Planck dell'Agenzia spaziale europeache ha volato nella prima parte dell'ultimo decennio, e dall'attuale Atacama Cosmology Telescope. Il primo sembra non supportare l'idea della prima energia oscura, mentre il secondo ora lo fa. Tali tensioni tra gli esperimenti sono comuni e frustranti. Si è tentati di dire che più dati di ACT risolveranno la questione, ma semplicemente sovraccaricare i dati di Planck completati con più dati di ACT non spiegherà perché i dati di Planck non favoriscono l'EDE. Sembra probabile che la tensione richieda una revisione della comprensione di uno di questi esperimenti al fine di fornire un caso chiaro in un modo o nell'altro".
Wendy Freedman , professore di astronomia e astrofisica all'Università di Chicago che ha lavorato sulla misurazione dell'espansione cosmica, pensa che sia importante perseguire vari modelli alternativi.
Il modello Lambda Cold Dark Matter (LCDM)
"Attualmente disponiamo di un modello standard di cosmologia, il cosiddetto modello lambda della materia oscura fredda (LCDM)", spiega Freedman, l'autore di questo articolo , pubblicato il 17 settembre 2021, su Hubble Constant in The Astrophysical Journal. un'email. "In quel modello circa 1/3 della materia totale + densità di energia è dovuta alla materia (la maggior parte della quale è materia oscura) e 2/3 è dovuta a una componente dell'energia oscura".
"Tuttavia, al momento attuale, non conosciamo la natura né della materia oscura né dell'energia oscura", continua Freedman. "Eppure LCDM si adatta molto bene a una gamma molto ampia di esperimenti e osservazioni differenti. Dato il nostro stato di conoscenza, è chiaramente importante testare ulteriormente il modello standard. L'attuale discrepanza apparente tra il valore della costante di Hubble dedotto da CMB le misurazioni e alcune misurazioni locali potrebbero segnalare una nuova fisica. Questo è il motivo per cui dico che è importante indagare su altri modelli oltre a lambda CDM".
Ma Freedman aggiunge un avvertimento importante: "In alternativa, potrebbe esserci qualche errore sistematico ancora sconosciuto responsabile dell'apparente discrepanza. È quindi anche importante ridurre le incertezze nelle attuali misurazioni della costante di Hubble".
Ora è interessante
Se si scopre che l' energia oscura iniziale è esistita, calcolarla nella stima dell'età dell'universo comporterebbe che il cosmo sia di 1,4 miliardi di anni più giovane dell'attuale stima di 13,8 miliardi di anni.
