I Matematici Mettono in Discensione l'Energia Oscura: le Equazioni di Einstein Potrebbero Spiegare Naturalmente l'Accelerazione Cosmica

I matematici dell'Università della California, Davis, hanno presentato una sfida significativa alla spiegazione prevalente per l'espansione accelerata dell'universo. In uno studio pubblicato su Proceedings of the Royal Society A, il team sostiene che il modello standard si basa su un quadro matematico intrinsecamente instabile. I loro calcoli suggeriscono che l'accelerazione cosmica potrebbe emergere naturalmente dalla teoria originale della gravità di Einstein, eliminando potenzialmente la necessità del misterioso componente noto come energia oscura.

La ricerca si concentra sul modello Lambda-materia oscura fredda, che è stato il quadro principale per descrivere l'evoluzione dell'universo dal Big Bang. Analizzando le equazioni di Einstein-Euler, che combinano la relatività generale con la fluidodinamica, i ricercatori hanno scoperto che gli spaziotempi di Friedmann, fondamento dei modelli convenzionali di espansione, sono instabili sia su piccola che su grande scala. Blake Temple, autore corrispondente dello studio e professore emerito distinto di matematica alla UC Davis, ha paragonato questa instabilità a una matita bilanciata verticalmente sulla sua punta. Sebbene tale stato rappresenti una soluzione in cui le forze sono in equilibrio, è fisicamente non osservabile perché qualsiasi minima perturbazione ne causa il collasso.

Temple ha spiegato che le soluzioni instabili in fisica sono generalmente considerate non fisiche perché non verrebbero mai osservate in natura. L'analisi del team indica che l'universo evolve naturalmente lontano dal comportamento previsto da questi modelli convenzionali. Di conseguenza, l'espansione accelerata potrebbe non richiedere una forma separata di energia per essere spiegata. Invece, la risposta potrebbe già essere contenuta nelle equazioni originali di Einstein, offrendo una spiegazione più semplice e naturale rispetto all'energia oscura.

Per quasi tre decenni, l'energia oscura è stata la spiegazione principale della scoperta che l'universo non si sta solo espandendo, ma accelerando. Questo concetto risale alla teoria della relatività generale di Einstein del 1915. Sebbene Einstein abbia inizialmente introdotto una "costante cosmologica" per mantenere un universo statico – una mossa che in seguito definì il suo più grande errore dopo che Edwin Hubble scoprì l'espansione nel 1929 – il termine tornò in auge negli anni '90 quando gli astronomi osservarono un'accelerazione dell'espansione cosmica. Oggi, questo è associato all'energia oscura all'interno del modello standard dell'universo di Friedmann, che assume che lo spazio si espanda mentre la materia rimane distribuita uniformemente.

I ricercatori hanno inizialmente esplorato se un'onda d'urto massiccia potesse spiegare l'espansione e la sua accelerazione. Hanno identificato una famiglia di soluzioni autosimili durante l'epoca della radiazione del Big Bang che potrebbero modellare un'onda in espansione. Utilizzando una forma autosimile delle equazioni di Einstein, hanno trattato il modello cosmologico standard come un punto di riposo per esaminare come piccole deviazioni da questo stato si sarebbero comportate nel tempo. I loro risultati suggeriscono che le descrizioni convenzionali sono vulnerabili a perturbazioni che crescono invece di svanire.

Temple ha dichiarato che il loro lavoro dimostra che gli spaziotempi di Friedmann sono instabili rispetto alla perturbazione radiale su grandi scale di lunghezza, simile al modello statico di Einstein. Questa instabilità sembra escludere il modello Lambda-materia oscura fredda come soluzione stabile e valida delle equazioni di Einstein, indipendentemente dal fatto che l'energia oscura sia inclusa o meno. Le perturbazioni radiali, che variano con la distanza da un punto centrale, possono causare a un universo in espansione di allontanarsi dalle previsioni standard. I ricercatori sostengono che, sebbene il Big Bang possa sembrare uno spaziotempo di Friedmann vicino a un centro di simmetria, gli osservatori lontani da questo centro osserverebbero genericamente accelerazioni.

Oltre alle implicazioni per l'energia oscura, lo studio solleva domande fondamentali riguardanti il principio copernicano, che sostiene che la nostra posizione nell'universo non è speciale o privilegiata. Il quadro alternativo dei ricercatori introduce un centro di simmetria sferica, sollecitando interrogativi su dove un osservatore debba essere situato affinché il modello si allinei con le osservazioni. Temple ha argomentato che sia il modello standard Lambda-materia oscura fredda che uno spaziotempo a simmetria sferica producono un luogo speciale in cui gli osservatori devono trovarsi affinché i modelli siano fisicamente plausibili. Ha notato che se il principio copernicano esclude l'uno, deve escludere anche l'altro.

I risultati rappresentano una sfida teorica alla cosmologia standard piuttosto che una prova osservativa che l'energia oscura sia superflua. Determinare se questa alternativa possa descrivere l'universo reale richiederà di valutare quanto bene le sue previsioni corrispondano alle osservazioni astronomiche. Se ulteriori lavori teorici e osservativi supportano la loro interpretazione, potrebbe portare a una significativa rivalutazione del modo in cui gli scienziati comprendono l'espansione cosmica e le basi matematiche del Big Bang. La ricerca ha ricevuto finanziamenti dal Consiglio per la Ricerca Ingegneristica e delle Scienze Fisiche del Regno Unito e dal Programma SQuaREs dell'Istituto Americano di Matematica.

Fonti: ScienceDaily.