A che velocità si espande l’universo? La soluzione a uno dei grandi misteri della cosmologia

 

L’universo sembra espandersi più velocemente nelle nostre vicinanze, cioè fino a una distanza di circa tre miliardi di anni luce, che nella sua interezza. I ricercatori delle Università di Bonn e St. Andrews stanno ora proponendo una nuova soluzione: utilizzando una teoria alternativa della gravità, la discrepanza nei valori misurati può essere facilmente spiegata.

 

L’universo si sta espandendo. La velocità con cui lo fa è descritta dalla cosiddetta costante di Hubble-Lemaitre. Ma c’è una disputa su quanto sia effettivamente grande questa costante: diversi metodi di misurazione forniscono valori contraddittori.

Questa cosiddetta “tensione di Hubble” pone un enigma per i cosmologi. I ricercatori delle Università di Bonn e St. Andrews stanno ora proponendo una nuova soluzione: utilizzando una teoria alternativa della gravità, la discrepanza nei valori misurati può essere facilmente spiegata: la tensione di Hubble scompare.

Lo studio è stato ora pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

L’espansione dell’universo fa sì che le galassie si allontanino l’una dall’altra. La velocità con cui lo fanno è proporzionale alla distanza tra di loro.

Ad esempio, se la galassia A è due volte più lontana dalla Terra della galassia B, anche la sua distanza da noi cresce due volte più velocemente. L’astronomo statunitense Edwin Hubble fu uno dei primi a riconoscere questa connessione.

Per calcolare la velocità con cui due galassie si allontanano l’una dall’altra, è quindi necessario sapere quanto sono distanti. Tuttavia, ciò richiede anche una costante per la quale questa distanza deve essere moltiplicata.

Si tratta della cosiddetta costante di Hubble-Lemaitre, un parametro fondamentale in cosmologia. Il suo valore può essere determinato, ad esempio, osservando le regioni molto distanti dell’universo.

Ciò fornisce una velocità di quasi 244.000 chilometri all’ora per megaparsec di distanza (un megaparsec è poco più di tre milioni di anni luce).

244.000 chilometri all’ora per megaparsec – o 264.000?

“Ma si possono anche osservare corpi celesti che sono molto più vicini a noi, le cosiddette supernove di categoria 1a, che sono un certo tipo di stelle che esplodono”, spiega il Prof. Dr. Pavel Kroupa dell’Istituto Helmholtz di Radiazioni e Fisica Nucleare dell’Università di Bonn.

È possibile determinare la distanza di una supernova 1a dalla Terra in modo molto preciso. Sappiamo anche che gli oggetti luminosi cambiano colore quando si allontanano da noi e più velocemente si muovono, più forte è il cambiamento.

Se ora calcoliamo la velocità delle supernove 1a dal loro cambiamento di colore e lo mettiamo in relazione con la loro distanza, arriviamo a un valore diverso per la costante di Hubble-Lemaitre, vale a dire poco meno di 264.000 chilometri all’ora per megaparsec di distanza.

“L’universo sembra quindi espandersi più velocemente nelle nostre vicinanze, cioè fino a una distanza di circa tre miliardi di anni luce, che nella sua interezza”, afferma Kroupa. “E non dovrebbe essere così”.

Tuttavia, recentemente c’è stata un’osservazione che potrebbe spiegare questo fenomeno. Secondo questo, la Terra si trova in una regione dello spazio in cui c’è relativamente poca materia, paragonabile a una bolla d’aria in una torta.

La densità della materia è maggiore intorno alla bolla. Le forze gravitazionali emanano da questa materia circostante, che attirano le galassie nella bolla verso i bordi della cavità.

“Ecco perché si stanno allontanando da noi più velocemente di quanto ci si aspetterebbe”, spiega il dottor Indranil Banik della St. Andrews University. Le deviazioni potrebbero quindi essere semplicemente spiegate da una “sottodensità” locale.

Infatti, un altro gruppo di ricerca ha recentemente misurato la velocità media di un gran numero di galassie che si trovano a 600 milioni di anni luce di distanza da noi.

“Si è scoperto che queste galassie si stanno allontanando da noi quattro volte più velocemente di quanto consenta il modello standard della cosmologia”, spiega Sergij Mazurenko del gruppo di ricerca di Kroupa, che è stato coinvolto nello studio attuale.

Bolle nell’impasto dell’universo

Questo perché il modello standard non prevede tali sotto-densità o “bolle” – in realtà non dovrebbero esistere. Invece, la materia dovrebbe essere distribuita uniformemente nello spazio.

Se così fosse, tuttavia, sarebbe difficile spiegare quali forze spingono le galassie alla loro alta velocità.

“Il modello standard si basa su una teoria della natura della gravità proposta da Albert Einstein”, afferma Kroupa.

“Tuttavia, le forze gravitazionali potrebbero comportarsi in modo diverso da quanto Einstein si aspettasse”. I gruppi di lavoro delle Università di Bonn e St. Andrews hanno utilizzato una teoria modificata della gravità in una simulazione al computer.

Questa “dinamica newtoniana modificata” (abbreviazione: MOND) è stata proposta quarant’anni fa dal fisico israeliano Prof. Dr. Mordehai Milgrom. Ancora oggi è considerata una teoria outsider.

“Nei nostri calcoli, tuttavia, MOND prevede con precisione l’esistenza di tali bolle”, afferma Kroupa.

Se si dovesse assumere che la gravità si comporti effettivamente secondo le ipotesi di Milgrom, la tensione di Hubble scomparirebbe: in realtà ci sarebbe solo una costante per l’espansione dell’universo, e le deviazioni osservate sarebbero dovute a irregolarità nella distribuzione della materia.

 

 

Immagine:  AG Kroupa/University of Bonn