Per decenni, la teoria della gravità, che deriva dalla relatività generale,
In questo momento, i ricercatori lo hanno scoperto per la prima voltaIl comportamento delle galassie distanti non corrisponde alle previsioni della teoria della gravità. Le distorsioni dello spazio-tempo provenienti da ammassi e sistemi stellari distanti si sono rivelate molto più forti della massa di tali oggetti calcolata sulla base delle osservazioni.
Più tardi, alla fine degli anni '90, i ricercatoriscoperto un altro fatto insolito. Si scopre che il tasso di espansione dell'universo aumenta con il tempo. Questo effetto ha posto un'altra sfida alla teoria di Albert Einstein: gli effetti gravitazionali della materia avrebbero dovuto rallentare l'espansione dell'universo, non accelerarla. Il moderno modello cosmologico - il modello ΛCDM - ha trovato risposte a queste domande, ma gli scienziati non rinunciano alla speranza per sfidare il genio della prima metà del XX secolo.
Perché gli scienziati pensano che l'universo si stia espandendo a una velocità accelerata?
L'espansione accelerata dell'universo è stata scoperta in1998 come risultato del lavoro di due team indipendenti contemporaneamente: il Supernova Cosmology Project e il High-Z Supernova Search Group.Entrambi i gruppi di ricerca hanno studiato l'accelerazione dell'espansione dell'Universo analizzando le esplosioni stellari lontane.
Le supernove di tipo La hanno quasi la stessa cosaluminosità standard. Osservando la luminosità di tali oggetti, si può determinare quanto sono lontani. Inoltre, man mano che l'universo si espande, la luce proveniente da oggetti distanti si sposta sul lato rosso dello spettro. Misurando lo spostamento verso il rosso, si può determinare di quanto si è espanso l'universo da quando si è verificata la supernova.
Astrofisici durante questigli esperimenti erano fiduciosi che l'Universo si sarebbe espanso a un ritmo più lento, dopodiché il processo avrebbe dovuto fermarsi o iniziare a contrarsi. Ma il risultato inaspettato, al quale entrambi i gruppi di scienziati sono giunti indipendentemente, è che l'Universo si sta espandendo a un ritmo accelerato.
L'espansione dell'universo è stata successivamente confermataaltri metodi. La misurazione del fondo cosmologico delle microonde (tracce del Big Bang), gli effetti del lensing gravitazionale e l'analisi delle oscillazioni acustiche del barione confermano l'ipotesi dell'espansione dell'Universo.
Nel 2007, entrambi i team che hanno scoperto l'effetto dell'espansione dell'Universo hanno ricevuto il Premio Gruber nel campo della cosmologia e nel 2011 tre dei partecipanti hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica.
Espansione accelerata dell'universo. Immagine: NASA, STSc, Ann Feild
Come spiegare l'espansione accelerata?
Per spiegare le osservazioni (l'espansione dell'Universo e la maggiore distorsione dello spazio-tempo da parte di galassie lontane), gli scienziati hanno introdotto due nuovi modelli: la materia oscura e l'energia oscura.
La materia oscura è una forma ipoteticamateria, che secondo gli scienziati costituisce circa l'85% della materia nell'universo. Si chiama scuro perché non interagisce in alcun modo con il campo elettromagnetico. In altre parole, tale materia non riflette, assorbe o emette luce e altre onde elettromagnetiche. Tuttavia, ha una sua massa, e quindi l'influenza gravitazionale. L'aggiunta di materia oscura ai modelli cosmologici aiuta a spiegare la maggiore gravità delle galassie lontane.
L'energia oscura è una forma ipoteticaenergia, a differenza della materia oscura, si sa poco al riguardo. Si ritiene che l'energia oscura sia molto omogenea, non molto densa e non possa interagire con nessuna delle forze fondamentali diverse dalla gravità. Questa energia è associata all'energia del vuoto. Se assumiamo che quando l'Universo si espande e lo spazio libero aumenta, questa energia aumenta, allora si può spiegare la transizione dall'espansione uniforme a quella accelerata.
Sebbene l'ipotesi dell'energia oscura sia ben descrittai processi osservati nell'Universo, la sua stessa esistenza e interazione solo con il campo gravitazionale sono difficili da associare alla teoria generale della relatività e alla teoria della gravitazione di Einstein.
Come testare la teoria?
Alcuni studiosi ritengono che se la teoriala gravità non può spiegare l'energia oscura, forse è incompleta e all'equazione deve essere aggiunto un parametro o variabile aggiuntivo che legherà tutte le osservazioni insieme. Per verificare questa ipotesi, gli scienziati cercano in passato segni di violazione della teoria della gravità.
Uno di questi lavori è la ricerca internazionaleenergia oscura utilizzando il telescopio Victor Blanco di 4 metri in Cile. I risultati di questa osservazione sono stati presentati in agosto alla Conferenza internazionale sulla fisica delle particelle e sulla cosmologia (COSMO’22) a Rio de Janeiro.
I partecipanti allo studio hanno cercato proveil fatto che la forza di gravità sia cambiata nel corso della storia dell'universo, o in un lontano passato. Per il loro lavoro hanno utilizzato, oltre al telescopio principale Blanco, i dati del satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea.
Gli astrofisici hanno studiato le immagini delle galassiela presenza di distorsioni più sottili dovute alla curvatura dello spazio da parte della materia oscura, un effetto chiamato lente gravitazionale debole. La forza della gravità determina la dimensione e la distribuzione delle strutture della materia oscura, e la dimensione e la distribuzione a loro volta determinano quanto curve ci appaiono queste galassie.
Misurando tutti questi parametri, è possibile determinare la forzagravità in galassie lontane. E poiché la loro luce impiega milioni e miliardi di anni per raggiungerci, in sostanza, gli scienziati stanno studiando come si è comportata la gravità in passato.
I ricercatori hanno riferito di aver già studiatoforze e forme gravitazionali in oltre 100 milioni di galassie, ma in tutti gli esperimenti le osservazioni sono pienamente coerenti con la teoria di Einstein. Quindi, la natura dell'energia oscura rimane un mistero.
La lente gravitazionale, come quella vista nella prima immagine di James Webb, sta aiutando gli scienziati a esplorare la materia oscura e la gravità in sistemi distanti. Immagine: NASA, ESA, CSA, STScI
Qual è il prossimo?
La teoria di Einstein è ancora valida, ma i ricercatoricontinuare a testare la sua forza. Un nuovo tentativo di spiegare la natura dell’energia oscura sarà fatto dalle missioni satellitari. L'Agenzia spaziale europea prevede di lanciare il telescopio spaziale Euclid nel 2023. Gli strumenti del dispositivo misureranno gli spostamenti verso il rosso delle galassie situate a diverse distanze dalla Terra ed esploreranno la relazione tra spostamento verso il rosso e distanza.
Gli sviluppatori si aspettano che Euclid sia in grado di farloguardare indietro di 8 miliardi di anni. Con l'aiuto di misurazioni ultra precise, sarà in grado di scoprire come stavano le cose con la gravità, la materia oscura e l'energia oscura in questa era.
La NASA sta pianificando una missione simile:nel 2027 prevede di lanciare il telescopio spaziale Nancy Grace Roman nell'orbita terrestre. I ricercatori ritengono che sarà in grado di studiare le galassie situate a una distanza di 11 miliardi di anni luce e di studiare il primo universo.
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Copertina: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, tramite Wikimedia Commons