Nel primo miliardo di anni dell’universo, questa breve e misteriosa forza potrebbe aver prodotto galassie più luminose di quanto previsto dalla teoria.
Un nuovo studio dei fisici del MIT propone che una forza misteriosa nota come energia oscura primordiale potrebbe risolvere due dei più grandi enigmi della cosmologia e colmare alcune importanti lacune nella nostra comprensione di come si è evoluto l’universo primordiale.
Un enigma in questione è la “tensione di Hubble”, che si riferisce a una discrepanza nelle misurazioni della velocità con cui l’universo si sta espandendo.
L’altro riguarda l’osservazione di numerose galassie luminose che esistevano in un momento in cui l’universo primordiale avrebbe dovuto essere molto meno popolato.
Ora, il team del MIT ha scoperto che entrambi gli enigmi potrebbero essere risolti se l’universo primordiale avesse un ingrediente in più, fugace: l’energia oscura primordiale.
L’energia oscura è una forma sconosciuta di energia che i fisici sospettano stia guidando l’espansione dell’universo oggi.
L’energia oscura primordiale è un fenomeno simile e ipotetico che potrebbe aver fatto solo una breve apparizione, influenzando l’espansione dell’universo nei suoi primi momenti prima di scomparire completamente.
Alcuni fisici hanno sospettato che l’energia oscura primordiale potrebbe essere la chiave per risolvere la tensione di Hubble, poiché la forza misteriosa potrebbe accelerare l’espansione iniziale dell’universo di una quantità tale da risolvere la mancata corrispondenza delle misurazioni.
I ricercatori del MIT hanno ora scoperto che l’energia oscura primordiale potrebbe anche spiegare il numero sconcertante di galassie luminose che gli astronomi hanno osservato nell’universo primordiale.
Nel loro nuovo studio, riportato nel Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, il team ha modellato la formazione delle galassie nelle prime centinaia di milioni di anni dell’universo.
Quando hanno incorporato una componente di energia oscura solo in quel primo frammento di tempo, hanno scoperto che il numero di galassie sorte dall’ambiente primordiale fioriva per adattarsi alle osservazioni degli astronomi.
“Ci sono questi due incombenti enigmi aperti”, afferma il coautore dello studio Rohan Naidu, postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT.
“Abbiamo scoperto che, in effetti, l’energia oscura precoce è una soluzione molto elegante e scarna a due dei problemi più urgenti della cosmologia”.
I coautori dello studio includono l’autore principale e postdoc di Kavli Xuejian (Jacob) Shen e il professore di fisica del MIT Mark Vogelsberger, insieme a Michael Boylan-Kolchin dell’Università del Texas ad Austin e Sandro Tacchella dell’Università di Cambridge.
Luci della grande città
Sulla base dei modelli cosmologici standard e di formazione delle galassie, l’universo dovrebbe essersi preso il suo tempo per far girare le prime galassie. Ci sarebbero voluti miliardi di anni perché il gas primordiale si fondesse in galassie grandi e luminose come la Via Lattea.
Ma nel 2023, il James Webb Space Telescope (JWST) della NASA ha fatto un’osservazione sorprendente.
Con la capacità di scrutare più indietro nel tempo di qualsiasi altro osservatorio fino ad oggi, il telescopio ha scoperto un numero sorprendente di galassie luminose grandi come la moderna Via Lattea entro i primi 500 milioni di anni, quando l’universo aveva solo il 3% della sua età attuale.
“Le galassie luminose che JWST ha visto sarebbero come vedere un raggruppamento di luci intorno alle grandi città, mentre la teoria prevede qualcosa di simile alla luce intorno a contesti più rurali come il Parco Nazionale di Yellowstone”, dice Shen.
“E non ci aspettiamo questo raggruppamento di luce così presto”.
Per i fisici, le osservazioni implicano che c’è qualcosa di fondamentalmente sbagliato nella fisica alla base dei modelli o un ingrediente mancante nell’universo primordiale di cui gli scienziati non hanno tenuto conto.
Il team del MIT ha esplorato la possibilità di quest’ultimo e se l’ingrediente mancante potrebbe essere l’energia oscura precoce.
I fisici hanno proposto che l’energia oscura primordiale sia una sorta di forza antigravitazionale che si attiva solo in tempi molto precoci.
Questa forza contrasterebbe l’attrazione della gravità verso l’interno e accelererebbe l’espansione iniziale dell’universo, in un modo che risolverebbe la discrepanza nelle misurazioni. L’energia oscura precoce, quindi, è considerata la soluzione più probabile alla tensione di Hubble.
Scheletro galattico
Il team del MIT ha esplorato se l’energia oscura primordiale potrebbe anche essere la chiave per spiegare l’inaspettata popolazione di galassie grandi e luminose rilevate dal JWST.
Nel loro nuovo studio, i fisici hanno considerato come l’energia oscura precoce potrebbe influenzare la struttura iniziale dell’universo che ha dato origine alle prime galassie.
Si sono concentrati sulla formazione di aloni di materia oscura, regioni dello spazio in cui la gravità è più forte e dove la materia inizia ad accumularsi.
“Crediamo che gli aloni di materia oscura siano lo scheletro invisibile dell’universo”, spiega Shen.
“Le strutture della 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”.
Il team ha sviluppato un quadro empirico per la formazione delle galassie primordiali, che prevede il numero, la luminosità e le dimensioni delle galassie che dovrebbero formarsi nell’universo primordiale, date alcune misure di “parametri cosmologici”. I parametri cosmologici sono gli ingredienti di base, o termini matematici, che descrivono l’evoluzione dell’universo.
I fisici hanno determinato che ci sono almeno sei parametri cosmologici principali, uno dei quali è la costante di Hubble, un termine che descrive il tasso di espansione dell’universo.
Altri parametri descrivono le fluttuazioni di densità nel brodo primordiale, subito dopo il Big Bang, da cui si formano aloni di materia oscura.
Il team del MIT ha ipotizzato che se l’energia oscura primordiale influenza il tasso di espansione precoce dell’universo, in un modo che risolve la tensione di Hubble, allora potrebbe influenzare l’equilibrio degli altri parametri cosmologici, in un modo che potrebbe aumentare il numero di galassie luminose che appaiono nei primi tempi.
Per testare la loro teoria, hanno incorporato un modello di energia oscura primordiale (la stessa che risolve la tensione di Hubble) in un quadro empirico di formazione delle galassie per vedere come le prime strutture di materia oscura si evolvono e danno origine alle prime galassie.
“Quello che mostriamo è che la struttura scheletrica dell’universo primordiale è alterata in un modo sottile in cui l’ampiezza delle fluttuazioni aumenta, e si ottengono aloni più grandi e galassie più luminose che sono in posizione in tempi precedenti, più che nei nostri modelli più vanigliati”, dice Naidu. “Significa che le cose erano più abbondanti e più raggruppate nell’universo primordiale”.
“A priori, non mi sarei aspettato che l’abbondanza delle prime galassie luminose del JWST avesse qualcosa a che fare con l’energia oscura primordiale, ma la loro osservazione che EDE spinge i parametri cosmologici in una direzione che aumenta l’abbondanza delle galassie primordiali è interessante”, afferma Marc Kamionkowski, professore di fisica teorica alla Johns Hopkins University, che non è stato coinvolto nello studio.
“Penso che sarà necessario fare più lavoro per stabilire un legame tra le galassie primordiali e EDE, ma indipendentemente da come andranno le cose, è una cosa intelligente – e si spera alla fine fruttuosa – da provare”.
“Abbiamo dimostrato il potenziale dell’energia oscura primordiale come soluzione unificata ai due principali problemi affrontati dalla cosmologia. Questa potrebbe essere una prova della sua esistenza se i risultati osservazionali del JWST venissero ulteriormente consolidati”, conclude Vogelsberger.
“In futuro, possiamo incorporare questo in grandi simulazioni cosmologiche per vedere quali previsioni dettagliate otteniamo”.
