La struttura complessa che vediamo oggi, è nata da uno stato più piccolo, più caldo, più denso e più uniforme nel passato. Ci deve essere qualche nuova forma di energia che guida l’attuale fase di espansione accelerata, oltre la materia e la radiazione conosciute. C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Materia ed energia dicono allo spaziotempo come curvare; lo spaziotempo curvo dice alla materia e all’energia come muoversi. È la regola cardinale della Relatività Generale, e si applica a tutto nell’Universo, incluso l’intero Universo stesso. Alla fine degli anni ’90, avevamo raccolto abbastanza dati da galassie lontane nell’Universo per concludere che non si stavano solo allontanando da noi, la loro recessione stava accelerando. Il tessuto dello spazio non si stava solo espandendo, ma l’espansione stava accelerando.

La distanza (asse delle x) è coerente con un Universo che si è espanso più velocemente in passato, ma è ancora in espansione oggi. Questa è una versione moderna, che si estende migliaia di volte più lontano del lavoro originale di Hubble. Si noti il fatto che i punti non formano una linea retta, indicando il cambiamento del tasso di espansione nel tempo. Ned Wright, sulla base degli ultimi dati di Betoule et al. (2014)

L’unica spiegazione era che ci doveva essere di più nell’Universo, in termini di materia ed energia, di quello che avevamo concluso in precedenza. In un Universo in espansione – come quello in cui viviamo – non è semplicemente la curvatura ad essere determinata da materia ed energia, ma il modo in cui il tasso di espansione cambia nel tempo. I componenti dell’Universo che conoscevamo prima di 20 anni fa erano materia normale, materia oscura, neutrini e radiazioni. L’Universo può espandersi benissimo con quelle, ma le galassie lontane dovrebbero solo rallentare.

L’osservazione dell’accelerazione significava che c’era qualcos’altro, e che non era solo presente; era dominante.

e del Sole nel nostro Sistema Solare, devono essere presi in considerazione per qualsiasi osservazione che un veicolo spaziale o un altro osservatorio potrebbe fare. Gli effetti della Relatività Generale, anche quelli sottili, non possono essere ignorati. NASA/JPL-Caltech, per la missione Cassini

Fisicamente, ciò che accade nella Relatività Generale è che il tessuto stesso dello spazio si incurva positivamente o negativamente in risposta alla materia che si raggruppa e si ammassa in esso. Un pianeta come la Terra o una stella come il nostro Sole causeranno la deformazione del tessuto dello spazio, mentre un oggetto più denso e massiccio causerà una curva dello spazio più severa. Se tutto quello che avete nel vostro Universo sono pochi ammassi di materia, questa descrizione sarà sufficiente.

D’altra parte, se ci sono molte masse nell’Universo, distribuite approssimativamente in modo uniforme in tutto lo spazio, tutto lo spaziotempo sente un effetto gravitazionale globale. Se l’Universo non fosse in espansione, la gravitazione farebbe collassare tutto in un unico punto. Il fatto che l’Universo non l’abbia fatto ci permette di concludere immediatamente che qualcosa ha impedito quel collasso. O qualcosa contrasta la gravità, o l’Universo si sta espandendo.

sostiene l’immagine dell’Universo in espansione e del Big Bang. Il piccolo numero di parametri di input e il grande numero di successi osservativi e di previsioni che sono state successivamente verificate sono tra i segni distintivi di una teoria scientifica di successo. L’equazione di Friedmann descrive tutto questo. NASA / GSFC

È da qui che è nata l’idea del Big Bang. Se vediamo materia in quantità approssimativamente uguali ovunque, in tutte le direzioni, e a distanze vicine, intermedie e lontane, sappiamo che ci deve essere una forza gravitazionale incredibilmente grande che cerca di tirarli tutti insieme. Poiché l’Universo non è ancora ricollassato (e non è in procinto di ricollassare), questo lascia solo due opzioni: la gravità è sbagliata o l’Universo si sta espandendo.

Dato che la Relatività Generale ha superato ogni test che le abbiamo sottoposto, è difficile affermare che è sbagliata. Soprattutto perché, con un Universo pieno di materia e radiazioni, tutto ciò che serve è un’espansione iniziale per avere un Universo che oggi:

• si sta espandendo,
• raffreddando,
• diventando meno denso,
• pieno di luce redshifted,
• e aveva un passato caldo e denso.

Un Universo nato caldo, denso ed in espansione, ma che era pieno di materia ed energia, assomiglierebbe molto al nostro Universo di oggi.

illustrazioni) corrispondono tutti a un universo in cui la materia e l’energia combattono contro il tasso di espansione iniziale. Nel nostro Universo osservato, un’accelerazione cosmica è causata da un qualche tipo di energia oscura, che è finora inspiegabile. Tutti questi universi sono governati dalle equazioni di Friedmann. E. Siegel / Beyond the Galaxy

L’espansione inizia rapidamente, e la gravitazione lavora per rimettere insieme le cose. Ti fa pensare che ci sono tre possibilità per come l’Universo si evolverà nel tempo:

1. La gravitazione vince: L’Universo si espande rapidamente all’inizio, ma c’è abbastanza gravità per rimettere le cose insieme, alla fine. L’espansione raggiunge un massimo, si ferma, e torna indietro per portare ad una ricollocazione.
2. Gravitazione ed espansione pareggiano: L’espansione iniziale e la gravitazione si contrappongono esattamente. Con un protone in più nell’Universo, esso ricollasserebbe, ma quel protone non c’è. Invece, il tasso di espansione raggiunge l’asintoto a zero e le galassie lontane semplicemente si allontanano sempre più lentamente.
3. L’espansione vince: La rapida espansione è contrastata dalla gravità, ma non a sufficienza. Nel tempo, le galassie continuano ad allontanarsi l’una dall’altra, e mentre la gravità rallenta l’espansione, questa non si ferma mai.

Ma quello che osserviamo realmente è una quarta. Vediamo che l’Universo sembrava essere su quel percorso “critico” per i primi miliardi di anni, e poi, all’improvviso, le galassie lontane hanno cominciato ad allontanarsi più velocemente le une dalle altre. Teoricamente, c’è una ragione convincente per cui questo potrebbe essere.

hyperwall della Society nel 2017, insieme alla prima equazione di Friedmann a destra. Perimeter Institute / Harley Thronson

C’è un’equazione molto semplice (beh, per la Relatività) che regola come l’Universo si espande: la prima equazione di Friedmann. Anche se può sembrare complicato, i termini dell’equazione hanno significati reali che sono facili da capire.

scritto oggi (in notazione moderna), dove il lato sinistro dettaglia il tasso di espansione di Hubble e l’evoluzione dello spaziotempo, e il lato destro include tutte le diverse forme di materia ed energia, insieme alla curvatura spaziale. LaTeX / public domain

Sul lato sinistro, si ha l’equivalente del tasso di espansione (al quadrato), o ciò che è colloquialmente noto come la costante di Hubble. (Non è veramente una costante, poiché può cambiare man mano che l’Universo si espande o si contrae nel tempo). Ti dice come il tessuto dell’Universo si espande o si contrae in funzione del tempo.

Sul lato destro c’è letteralmente tutto il resto. C’è tutta la materia, la radiazione e qualsiasi altra forma di energia che compone l’Universo. C’è la curvatura intrinseca allo spazio stesso, che dipende dal fatto che l’Universo sia chiuso (curva positiva), aperto (curva negativa) o piatto (non curvo). E c’è anche il termine “Λ”: una costante cosmologica, che può essere una forma di energia o può essere una proprietà intrinseca dello spazio.

la costante cosmologica (in basso) si evolve con il tempo in un Universo in espansione E. Siegel / Beyond The Galaxy

Questi due lati devono essere uguali. Pensavamo che l’espansione dell’Universo rallentasse perché, man mano che l’Universo si espande, la densità di energia (sul lato destro) scende, e quindi il tasso di espansione dello spazio deve scendere. Ma se si ha una costante cosmologica o qualche altra forma di energia oscura, la densità di energia può non diminuire affatto. Può rimanere costante o addirittura aumentare, e questo significa che anche il tasso di espansione rimarrà costante o aumenterà.

In entrambi i casi, significherebbe che una galassia lontana sembrerebbe accelerare mentre si allontana da noi. L’energia oscura non fa accelerare l’Universo a causa di una pressione verso l’esterno o di una forza antigravitazionale; fa accelerare l’Universo a causa di come la sua densità di energia cambia (o, più precisamente, non cambia) mentre l’Universo continua ad espandersi.

Il nostro attuale destino accelerante mostrato a destra. Dopo abbastanza tempo, l’accelerazione lascerà ogni struttura galattica o supergalattica legata completamente isolata nell’Universo, mentre tutte le altre strutture accelerano irrevocabilmente via. NASA & ESA

Come l’Universo si espande, viene creato più spazio. Poiché l’energia oscura è una forma di energia che è inerente allo spazio, allora quando si crea più spazio, la densità di energia non diminuisce. Questo è fondamentalmente diverso dalla materia normale, dalla materia oscura, dai neutrini, dalla radiazione e da qualsiasi altra cosa che conosciamo. E quindi, ha un impatto sul tasso di espansione in modo diverso da tutti questi altri tipi di materia ed energia.

si evolve/espande in incrementi di tempo uguali se il tuo Universo è dominato dalla materia, dalla radiazione o dall’energia inerente allo spazio stesso, e quest’ultima corrisponde al nostro Universo dominato dall’energia oscura. E. Siegel

In poche parole, una nuova forma di energia può influenzare il tasso di espansione dell’Universo in modo nuovo. Tutto dipende da come la densità di energia cambia nel tempo. Mentre la materia e la radiazione diventano meno dense man mano che l’Universo si espande, lo spazio è ancora spazio, e ha ancora la stessa densità di energia ovunque. L’unica cosa che è cambiata è la nostra assunzione automatica che abbiamo fatto: che l’energia dovrebbe essere zero. Bene, l’Universo in accelerazione ci dice che non è zero. La grande sfida che gli astrofisici devono affrontare ora è capire perché ha il valore che ha. Su questo fronte, l’energia oscura è ancora il più grande mistero dell’Universo.

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