Of all the mysteries that astronomi e cosmologi devono affrontare oggi, la “Tensione di Hubble” rimane persistente! Questo termine si riferisce all’apparente inconsistenza dell’espansione dell’Universo (nota come Costante di Hubble) quando le misurazioni locali vengono confrontate con quelle dello Sfondo Cosmico a Microonde (CMB). Gli astronomi speravano che le osservazioni delle prime galassie dell’Universo effettuate dal Telescopio Spaziale James Webb (JWST) avrebbero risolto questo mistero. Sfortunatamente, Webb ha confermato che le misurazioni precedenti erano corrette, quindi la “tensione” persiste.
Da quando il JWST ha effettuato le sue osservazioni, numerosi scienziati hanno suggerito che l’esistenza dell’Energia Oscura Antica (EDE) potrebbe spiegare la Tensione di Hubble. In un studio recente sostenuto dalla NASA e dalla National Science Foundation (NSF), i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno suggerito che l’EDE potrebbe risolvere due misteri cosmologici. Oltre alla Tensione di Hubble, potrebbe spiegare perché Webb abbia osservato così tante galassie durante l’inizio dell’Universo. Secondo i modelli cosmologici attuali, l’Universo sarebbe dovuto essere molto meno popolato all’epoca.
La ricerca è stata condotta da Xuejian Shen e dai suoi colleghi del Dipartimento di Fisica e del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MTK) del MIT. Hanno collaborato con ricercatori dell’NSF AI Institute for Artificial Intelligence and Fundamental Interactions (IAIFI) del MIT, dell’Università del Texas ad Austin e del Kavli Institute for Cosmology (KICC) e del Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge. Il documento che dettaglia i loro risultati è stato recentemente pubblicato nelle Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
La Scala delle Distanze Cosmiche, che si basa su diversi metodi per misurare la distanza, ha portato all’inrealizzazione che le misurazioni dell’espansione cosmica non sono concordi. Credito: NASA/ESA/A. Feild (STScI)/A. Riess (STScI/JHU)
In sintesi, l’Energia Oscura è la forma teorica di energia che si ritiene stia guidando l’espansione dell’Universo oggi. La teoria è emersa per la prima volta negli anni ‘90 per spiegare le osservazioni del venerabile Telescopio Spaziale Hubble, che mostrava che l’espansione cosmica sembrava accelerare nel tempo. L’EDE è simile, ma si pensa che sia apparsa brevemente subito dopo il Big Bang, per poi scomparire dopo aver influenzato l’espansione dell’Universo primordiale. Come l’Energia Oscura, questa forza avrebbe contrattaccato l’attrazione gravitazionale delle prime galassie e accelerato temporaneamente l’espansione dell’Universo.
L’esistenza di questa energia spiegherebbe anche perché le misurazioni della Costante di Hubble siano inconsistenti tra loro. A meno che la Relatività Generale non sia errata (nonostante sia stata comprovata ripetutamente per oltre un secolo), l’EDE è considerata la soluzione più probabile per la Tensione di Hubble. Allo stesso modo, le osservazioni del 2023 di Webb hanno scoperto un numero sorprendente di galassie luminose solo 500 milioni di anni dopo il Big Bang, paragonabili per grandezza alla moderna Via Lattea. Questi risultati sfidano i modelli convenzionali di formazione delle galassie, che prevedono che le galassie impieghino miliardi di anni a formarsi e crescere.
Per il loro studio, il team si è concentrato sulla formazione dei “Dark Matter Halos”, la regione ipotetica che consente ai protogalassie di accumulare gas e polvere, portando alla formazione e alla crescita delle stelle. Come detto in un recente articolo di MIT News:
“Le galassie luminose che JWST ha visto sarebbero come vedere un insieme di luci intorno a grandi città, mentre la teoria prevede qualcosa come la luce intorno a contesti più rurali come il Parco Nazionale di Yellowstone. E non ci aspettiamo quel raggruppamento di luci così presto. Crediamo che gli aloni di materia oscura siano lo scheletro invisibile dell’universo. Le strutture di materia oscura si formano per prime, e poi le galassie si formano all’interno di queste strutture. Quindi, ci aspettiamo che il numero di galassie luminose sia proporzionale al numero di grandi aloni di materia oscura.”
L’Energia Oscura Antica potrebbe aver fatto sì che i semi precoci delle galassie (rappresentati a sinistra) germogliassero molte più galassie luminose (a destra) di quante ne preveda la teoria. Credito: Josh Borrow/Thesan Team
Il team ha sviluppato un quadro empirico per la formazione precoce delle galassie che incorpora i sei principali “parametri cosmologici”—i termini matematici di base che descrivono l’evoluzione dell’Universo. Questo include la Costante di Hubble, che descrive l’espansione cosmica, mentre i parametri descrivono le fluttuazioni di densità immediatamente dopo il Big Bang, da cui si formarono gli aloni di materia oscura. Il team ha teorizzato che se l’EDE influisce sull’espansione cosmica precoce, potrebbe anche influenzare altri parametri che potrebbero spiegare l’apparizione di molte grandi galassie subito dopo.
Per testare la loro teoria, il team ha modellato la formazione delle galassie nei primi pochi cento milioni di anni dell’Universo. Questo modello ha incorporato l’EDE per determinare come si siano evolute le strutture di materia oscura precoci e abbiano dato origine alle prime galassie dell’Universo. Come spiegato dal co-autore dello studio Rohan Naidu, postdoc presso il MKI:
“Abbiamo questi due enigmi aperti. Troviamo che, in effetti, l’energia oscura primaria è una soluzione molto elegante e rara a due dei problemi più pressanti in cosmologia. Ciò che mostriamo è che la struttura scheletrica dell’universo primordiale è alterata in un modo sottile in cui l’ampiezza delle fluttuazioni aumenta, e ottieni aloni più grandi e galassie più luminose che sono presenti in tempi più precoci, più di quanto non faccia il nostro modello più convenzionale. Significa che le cose erano più abbondanti e più raggruppate nell’universo primordiale.”
“Abbiamo dimostrato il potenziale dell’energia oscura primitiva come soluzione unificata ai due principali problemi affrontati dalla cosmologia,” ha aggiunto il co-autore Mark Vogelsberger, professore di fisica al MIT. “Questo potrebbe essere una prova della sua esistenza se i risultati osservazionali del JWST si consolidano ulteriormente. In futuro, possiamo incorporarlo in grandi simulazioni cosmologiche per vedere quali previsioni dettagliate otteniamo.”
Ulteriori letture: MIT News, MNRAS
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