Tempistica del nostro universo, secondo il modello standard. Questo diagramma rappresenta 13,77 miliardi di anni di tempo. Sul lato sinistro si trova il momento più antico che possiamo attualmente sondare, quando un periodo di “inflazione” produsse un’improvvisa crescita esponenziale nell’universo. Questo è il modello dell’universo che praticamente tutti conoscono oggi. Ma è vero? La cosmologia è a un punto di svolta? Immagine tramite Wikimedia Commons.
Il “modello standard” in cosmologia – che è in evoluzione fin dagli anni ’50 – è estremamente popolare tra gli astronomi. Gli piace perché spiega gran parte di ciò che vediamo. Tuttavia, il modello standard non è riuscito a spiegare alcuni degli osservati dagli astronomi nel nostro universo, incluse l’espansione delle galassie, la levigatezza rispetto alla “granulosità” della materia, galassie primordiali massicce e altro ancora. Le nuove osservazioni confermeranno o confonderanno il modello standard? Otteniamo una validazione del modello standard? Oppure ci sarà un punto di svolta in cui scopriamo di aver bisogno di nuova fisica?
Cosmologia nel mirino
Negli ultimi anni, una serie di controversie ha scosso il ben consolidato campo della cosmologia. In breve, le previsioni del modello standard dell’universo sembrano essere in contrasto con alcune osservazioni recenti. Ci sono dibattiti accesi su se queste osservazioni siano distorte o se il modello cosmologico, che prevede la struttura e l’evoluzione dell’intero universo, necessiti di una revisione. Alcuni addirittura affermano che la cosmologia è in crisi. In questo momento, non sappiamo quale lato avrà la meglio. Ma entusiasticamente, siamo sul punto di scoprirlo.
Per essere equi, le controversie sono solo il normale corso del metodo scientifico. E nel corso degli anni, il modello cosmologico standard ha avuto la sua parte di controversie. Questo modello suggerisce che l’universo è composto per il 68,3% di energia oscura. L’energia oscura è una sostanza sconosciuta che provoca l’accelerazione dell’espansione dell’universo. Inoltre, il modello afferma che il 26,8% dell’universo è materia oscura (una forma di materia sconosciuta) e il 4,9% è costituito da atomi normali. Gli scienziati misurano con precisione questo dal background cosmico a microonde, o la scia di radiazioni del Big Bang. Spiega con notevole successo moltitudini di dati su scale sia grandi che piccole dell’universo. Ad esempio, può spiegare cose come la distribuzione delle galassie attorno a noi e la quantità di elio e deuterio prodotti nei primi minuti dell’universo. Forse, soprattutto, può spiegare perfettamente il background cosmico a microonde.
Questo ha portato a guadagnarsi la reputazione di “modello di concordanza.” Ma una tempesta perfetta di misurazioni incoerenti – o “tensioni” come sono conosciute in cosmologia – sta ora mettendo in discussione la validità di questo modello di lunga data.
Tensioni scomode in cosmologia
Il modello standard fa assunzioni specifiche sulla natura dell’energia oscura e della materia oscura. Ma nonostante decenni di intense osservazioni, sembriamo ancora lontani dal capire di cosa siano costituite la materia oscura e l’energia oscura. Il test di litmus è la cosiddetta tensione di Hubble. Questa si riferisce al costante di Hubble, che è il tasso di espansione dell’universo al momento presente. Quando misurata nel nostro universo locale, dalla distanza a stelle pulsanti in galassie vicine, chiamate Cepheid, il suo valore è di 73 chilometri al secondo per Megaparsec (km/s/Mpc). (Un Megaparsec è un’unità di misura per le distanze nello spazio intergalattico). Tuttavia, quando previsto teoricamente, il valore è di 67,4 km/s/Mpc. La differenza potrebbe non essere grande (solo l’8%), ma è statisticamente significativa.
La tensione di Hubble è diventata nota circa un decennio fa. Allora, si pensava che le osservazioni potevano essere distorte. Ad esempio, i Cepheid, sebbene brillanti e facili da vedere, erano affollati insieme ad altre stelle. Questo avrebbe potuto farli apparire ancora più luminosi. E questo potrebbe aver reso la costante di Hubble più alta di alcuni punti percentuali rispetto alla previsione del modello, creando artificialmente una tensione.
Con l’avvento del James Webb Space Telescope, possiamo separare le stelle individualmente. Così speravamo di avere una risposta a questa tensione.
Ancora in cerca di risposte
Sfortunatamente, questo non è ancora successo. Gli astronomi ora usano altri due tipi di stelle oltre ai Cepheid. (Questi tipi sono le stelle alla punta del ramo delle giganti rosse (TRGB) e le stelle del ramo asintotico delle giganti (JAGB)). Ma mentre un gruppo ha segnalato valori dalle stelle JAGB e TRGB che sono incredibilmente vicini al valore previsto dal modello cosmologico, un altro gruppo ha dichiarato che stanno ancora vedendo inconsistenze nelle loro osservazioni. Nel frattempo, le misurazioni dei Cepheid continuano a mostrare una tensione di Hubble.
È importante notare che sebbene queste misurazioni siano molto precise, potrebbero ancora essere distorte da alcuni effetti unici associati a ciascun tipo di misurazione. Questo influenzerà l’accuratezza delle osservazioni, in modi diversi per ciascun tipo di stelle. Una misurazione precisa ma inaccurata è come cercare di avere una conversazione con una persona che perde sempre il punto. Per risolvere disaccordi tra dati conflittuali, abbiamo bisogno di misurazioni che siano sia precise che accurate.
La buona notizia è che la tensione di Hubble è ora una storia in rapida evoluzione. Forse avremo la risposta entro un anno o giù di lì. Migliorare l’accuratezza dei dati, ad esempio, includendo stelle di galassie più lontane, aiuterà a chiarire la situazione. Allo stesso modo, le misurazioni delle onde in spaziotempo – o onde gravitazionali – ci aiuteranno anche a fissare la costante.
Un buon track record per il modello standard
Tutto ciò potrebbe avvalorare il modello standard. Oppure potrebbe suggerire che c’è qualcosa di mancante in esso. Forse la natura della materia oscura o il modo in cui la gravità si comporta su scale specifiche è diverso da quello che crediamo attualmente. Ma prima di scartare il modello, bisogna ammirare la sua precisione senza pari. Esso manca il bersaglio al massimo di pochi punti percentuali, mentre si estende in oltre 13 miliardi di anni di evoluzione.
Per metterlo in prospettiva, anche i movimenti meccanici dei pianeti nel sistema solare possono essere calcolati con affidabilità per meno di 1 miliardo di anni, dopodiché diventano imprevedibili. Il modello cosmologico standard è una macchina straordinaria.
La “granulosità” in cosmologia
La tensione di Hubble non è l’unico problema per la cosmologia. Un’altra, nota come la tensione S8, sta causando problemi, sebbene non su scala comparabile. Qui il modello ha un problema di levigatezza, predicendo che la materia nell’universo dovrebbe essere più raggruppata di quanto osserviamo attualmente, di circa il 10%. Ci sono vari modi per misurare la “granulosità” della materia, ad esempio analizzando le distorsioni nella luce delle galassie, prodotte dalla presumibile materia oscura che interviene lungo la linea di vista.
Attualmente, sembra esserci un consenso nella comunità secondo cui le incertezze nelle osservazioni devono essere chiarite prima di escludere il modello cosmologico. Un modo possibile per alleviare questa tensione è comprendere meglio il ruolo dei venti gassosi nelle galassie, che possono spingere fuori parte della materia, rendendola più mediocre.
Comprendere come le misurazioni di granulosità su piccola scala si relazionano a quelle su larga scala aiuterebbe. Le osservazioni potrebbero anche suggerire che è necessario modificare il modo in cui modelliamo la materia oscura. Ad esempio, se invece di essere composta interamente di particelle fredde e lente, come assume il modello standard, la materia oscura potrebbe essere mescolata con alcune particelle calde e veloci. Questo potrebbe rallentare la crescita della granulosità in tempi cosmici avanzati, il che allevierebbe la tensione S8.
Una regione di formazione stellare vista dai telescopi Webb e Chandra. Immagine via raggi X: NASA/ CXO/ SAO; Infrarosso: NASA/ ESA/ CSA/ STScI; Elaborazione immagini: NASA/ CXC/ SAO/ L. Frattare (CC BY 4.0).
Galassie massicce e precoci
Webb ha evidenziato altre sfide al modello standard. Una di esse è che le galassie primordiali sembra che siano molto più massicce del previsto. Alcune galassie potrebbero pesare quanto la Via Lattea oggi, anche se si sono formate meno di 1 miliardo di anni dopo il Big Bang, suggerendo che dovrebbero essere meno massicce. Tuttavia, le implicazioni contro il modello cosmologico sono meno chiare in questo caso, poiché potrebbero esserci altre possibili spiegazioni per questi risultati sorprendenti. La chiave per risolvere questo problema è migliorare la misurazione delle masse stellari nelle galassie. Piuttosto che misurarle direttamente, il che non è possibile, inferiamo queste masse dalla luce emessa dalle galassie.
Questo passaggio implica alcune assunzioni semplificanti, che potrebbero tradursi in una sovrastima della massa. Recentemente, alcuni hanno sostenuto che parte della luce attribuita alle stelle in queste galassie è generata da buchi neri potenti. Questo implicherebbe che queste galassie potrebbero non essere così massicce dopo tutto.
Theorie alternative della cosmologia
Allora, dove ci troviamo ora? Alcune tensioni potrebbero essere prossime a spiegazioni migliori e più accurate. Ma non è ancora chiaro se ci sarà una risoluzione a tutte le sfide che colpiscono il modello cosmologico. Non mancano però idee teoriche su come risolvere il modello. Forse troppe, nell’ordine di alcune centinaia e aumentando. Questo è un compito sconcertante per qualsiasi teorico che desideri esplorarle tutte.
Le possibilità sono molte. Forse dobbiamo modificare le nostre assunzioni sulla natura dell’energia oscura. Forse è un parametro che variabile nel tempo, come suggeriscono alcune misurazioni recenti. Oppure potremmo aver bisogno di aggiungere più energia oscura al modello per aumentare l’espansione dell’universo nei tempi iniziali, o, al contrario, in quelli tardivi. Modificare il modo in cui la gravità si comporta su grandi scale dell’universo (in modo diverso rispetto a quanto fatto nei modelli chiamati Dinamiche Newtoniane Modificate, o MOND) potrebbe essere anche un’opzione.
Finora, tuttavia, nessuna di queste alternative può spiegare la vasta gamma di osservazioni che il modello standard può. Ancora più preoccupante, alcune di esse potrebbero aiutare con una tensione, ma peggiorare altre.
Theorie sfidanti
La porta è ora aperta a ogni tipo di idee che sfidano anche i principi più fondamentali della cosmologia. Ad esempio, potremmo dover abbandonare l’assunzione che l’universo sia omogeneo e isotropo su scale molto grandi. Questi termini suggeriscono che non ci sono punti speciali nell’universo. Quindi, potrebbe non apparire lo stesso in tutte le direzioni per tutti gli osservatori. Altri propongono modifiche alla teoria della relatività generale.
Alcuni immaginano persino un universo ingannatore, che partecipa con noi nell’atto di osservazione, o che cambia il suo aspetto a seconda di se lo guardiamo o meno… qualcosa che sappiamo accada nel mondo quantistico degli atomi e delle particelle.
Col tempo, molte di queste idee saranno probabilmente relegate nel cabinet delle curiosità dei teorici. Ma per ora, forniscono un terreno fertile per testare la “nuova fisica”.
Questo è un fatto positivo. La risposta a queste tensioni arriverà senza dubbio da più dati. Nei prossimi anni, una potente combinazione di osservazioni da esperimenti come Webb, il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), il Vera Rubin Observatory e Euclid, tra molti altri, ci aiuterà a trovare le risposte tanto attese.
Punto di svolta
Da un lato, dati più accurati e una migliore comprensione delle incertezze sistematiche nelle misurazioni potrebbero riportarci al rassicurante comfort del modello standard. Dalle sue difficoltà passate, il modello potrebbe emergere non solo vindicato, ma anche rafforzato, e la cosmologia sarà una scienza sia precisa che accurata.
Ma se l’equilibrio pende dall’altra parte, saremo introdotti in territori inesplorati, dove dovremo scoprire nuove fisiche. Questo potrebbe portare a un grande cambiamento di paradigma in cosmologia, simile alla scoperta dell’espansione accelerata dell’universo alla fine degli anni ’90. Ma su questo cammino potrebbe essere necessario confrontarsi, una volta per tutte, con la natura dell’energia oscura e della materia oscura, due dei grandi misteri irrisolti dell’universo.