Uno dei più grandi misteri della cosmologia moderna riguarda la velocità con cui l’universo si sta espandendo. Tale tasso di espansione può essere previsto utilizzando il modello standard di cosmologia, noto anche come Lambda-cold dark matter (ΛCDM). Questo modello si basa su osservazioni dettagliate della luce residua del Big Bang, il cosiddetto fondo cosmico a microonde (CMB).
Il mistero dell’espansione dell’universo
La costante di Hubble
L’espansione dell’universo fa sì che le galassie si allontanino l’una dall’altra. Più sono lontane da noi, più velocemente si muovono. La relazione tra la velocità di una galassia e la sua distanza è regolata dalla “costante di Hubble”, che è di circa 43 miglia (70 km) al secondo per Megaparsec (un’unità di lunghezza in astronomia). Ciò significa che una galassia guadagna circa 50.000 miglia all’ora per ogni milione di anni luce di distanza da noi.
La tensione di Hubble
Tuttavia, per il modello standard, questo valore è stato recentemente contestato, portando a ciò che gli scienziati chiamano la “tensione di Hubble”. Quando misuriamo il tasso di espansione utilizzando galassie vicine e supernove (stelle esplose), risulta essere il 10% più grande di quando lo prevediamo basandoci sul CMB.
Viviamo in un gigantesco vuoto?
Nel nostro nuovo studio, presentiamo una possibile spiegazione: che viviamo in un gigantesco vuoto nello spazio (un’area con densità inferiore alla media). Dimostriamo che ciò potrebbe gonfiare le misurazioni locali attraverso flussi di materia dal vuoto. I flussi si verificherebbero quando le regioni più dense che circondano un vuoto lo tirano a sé, esercitando una forza gravitazionale maggiore rispetto alla materia a densità inferiore all’interno del vuoto.
Un vuoto grande e profondo
In questo scenario, dovremmo trovarci vicino al centro di un vuoto di circa un miliardo di anni luce di raggio e con una densità circa il 20% inferiore alla media dell’universo nel suo insieme, quindi non completamente vuoto. Un vuoto così grande e profondo è inaspettato nel modello standard e quindi controverso. Il CMB fornisce un’istantanea della struttura nell’universo neonato, suggerendo che la materia oggi dovrebbe essere piuttosto uniformemente distribuita. Tuttavia, contando direttamente il numero di galassie in diverse regioni, sembra effettivamente che ci troviamo in un vuoto locale.
Modificare le leggi della gravità
Abbiamo voluto testare ulteriormente questa idea confrontando molte diverse osservazioni cosmologiche assumendo che viviamo in un grande vuoto che è cresciuto da una piccola fluttuazione di densità nei primi tempi. Per fare ciò, il nostro modello non incorporava ΛCDM ma una teoria alternativa chiamata Modified Newtonian Dynamics (MOND). MOND è stata originariamente proposta per spiegare anomalie nelle velocità di rotazione delle galassie, che hanno portato alla suggestione di una sostanza invisibile chiamata “materia oscura”. MOND suggerisce invece che le anomalie possono essere spiegate dal fatto che la legge di gravità di Newton si rompe quando la forza gravitazionale è molto debole, come nel caso delle regioni esterne delle galassie.
La storia complessiva dell’espansione cosmica in MOND sarebbe simile a quella del modello standard, ma le strutture (come gli ammassi di galassie) crescerebbero più velocemente in MOND. Il nostro modello cattura come potrebbe apparire l’universo locale in un universo MOND. E abbiamo scoperto che consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione di oggi di fluttuare a seconda della nostra posizione.
Conclusioni
I nostri risultati arrivano in un momento in cui le soluzioni popolari alla tensione di Hubble sono in difficoltà. Alcuni credono che abbiamo solo bisogno di misurazioni più precise. Altri pensano che possa essere risolto assumendo che l’alto tasso di espansione che misuriamo localmente sia effettivamente quello corretto. Ma ciò richiederebbe una leggera modifica alla storia dell’espansione nell’universo primordiale affinché il CMB appaia ancora corretto. Purtroppo, una recensione influente evidenzia sette problemi con questo approccio. Se l’universo si fosse espanso del 10% più velocemente per la stragrande maggioranza della storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% più giovane, contraddicendo l’età delle stelle più antiche.
L’esistenza di un vuoto locale profondo ed esteso nel conteggio delle galassie e nei rapidi flussi di massa osservati suggerisce fortemente che la struttura cresce più velocemente del previsto in ΛCDM su scale di decine a centinaia di milioni di anni luce. Poiché la gravità è la forza dominante su scale così grandi, è probabile che dobbiamo estendere la teoria della gravità di Einstein, la Relatività Generale, ma solo su scale maggiori di un milione di anni luce. Tuttavia, non abbiamo un buon modo per misurare come si comporta la gravità su scale molto più grandi; possiamo assumere che la Relatività Generale rimanga valida e confrontarla con le osservazioni, ma è proprio questo approccio che porta alle tensioni molto gravi attualmente affrontate dal nostro miglior modello di cosmologia. Einstein si dice abbia affermato che non possiamo risolvere i problemi con lo stesso pensiero che ha portato ai problemi in primo luogo. Anche se i cambiamenti richiesti non sono drastici, potremmo benissimo essere testimoni delle prime prove affidabili da più di un secolo che dobbiamo cambiare la nostra teoria della gravità.
