L’accelerazione è un effetto locale

L’accelerazione osservata del tasso di espansione di Hubble è stata attribuita a una misteriosa “energia oscura” che presumibilmente costituisce circa il 70% dell’universo. Il professor Subir Sarkar del Rudolf Peierls Center for Theoretical Physics, Oxford, insieme a collaboratori dell’Istituto di astrofisica di Parigi e dell’Istituto Niels Bohr di Copenaghen, hanno utilizzato le osservazioni delle supernovave di tipo Ia 740 per dimostrare che questa accelerazione è un effetto relativamente locale— è diretto lungo la direzione in cui sembra che ci stiamo muovendo rispetto alla radiazione cosmica di fondo (che presenta un’anisotropia di dipolo simile). Mentre la ragione fisica di questa accelerazione è sconosciuta, non può essere attribuita all’energia oscura che avrebbe causato la stessa accelerazione in tutte le direzioni. La ricerca è stata pubblicata su Astronomy & Astrophysics.

Il professor Sarkar spiega: “Il modello cosmologico standard si basa sul presupposto che l’Universo sia isotropo attorno a tutti gli osservatori. Questo principio cosmologico è un’estensione del principio copernicano – vale a dire che non siamo osservatori privilegiati. Offre una vasta semplificazione nella costruzione matematica del modello cosmologico usando la teoria della relatività generale di Einstein. Tuttavia, quando i dati osservativi sono interpretati in questo quadro, siamo portati alla sorprendente conclusione che circa il 70% dell’universo è costituito dalla costante cosmologica di Einstein o più in generale dalla “energia oscura”.

Fluttuazioni quantistiche

Ciò è stato interpretato come dovuto alle fluttuazioni quantistiche del punto zero del vuoto, ma la scala di energia associata è impostata da H0, l’attuale velocità di espansione dell’universo. Questo è comunque un fattore di 1044 al di sotto della scala energetica del modello standard di fisica delle particelle: la teoria del campo quantistico ben consolidata che descrive con precisione tutti i fenomeni subatomici. 

Le sue fluttuazioni del punto zero hanno quindi un’enorme densità di energia che avrebbe impedito all’universo di raggiungere la sua età e dimensione attuali se influenzassero davvero il tasso di espansione tramite la gravità. A questo costante problema cosmologico si deve aggiungere l’interrogativo:”perché adesso?ovvero perché l’energia oscura è arrivata a dominare l’universo solo di recente? Era trascurabile in epoche precedenti, quando il plasma primordiale si raffreddò sufficientemente per formare atomi e fu rilasciata la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) (quindi il CMB non è direttamente sensibile all’energia oscura)”.

È in questo contesto che, insieme a Jacques Colin e Roya Mohayaee (Institut d’Astrophysique, Parigi) e Mohamed Rameez (Niels Bohr Institute, Copenaghen), ha iniziato a esaminare se l’energia oscura esiste davvero. Le prove principali – premiate con il premio Nobel per la fisica nel 2011 – riguardano la “scoperta dell’espansione accelerata dell’universo attraverso osservazioni di supernove distanti” nel 1998 da due squadre di astronomi. Questa si basava su osservazioni di circa 60 supernove di tipo Ia, ma nel frattempo il campione era cresciuto e nel 2014 i dati sono stati resi disponibili per 740 oggetti sparsi nel cielo (catalogo Joint Lightcurve Analysis).

Il ‘parametro di decelerazione’ cosmico dedotto dal catalogo JLA delle supernovae di tipo Ia è negativo (cioè il tasso di espansione sta accelerando), ma è principalmente un dipolo (q d ), cioè in una direzione specifica, mentre il suo monopolo (q m ) Il componente è vicino allo zero. L’attuale modello cosmologico standard (indicato da una stella blu) che ha q m = -0,55, q d = 0, è escluso a oltre 4σ. Credito: astronomia e astrofisica

I ricercatori hanno cercato di vedere se l’accelerazione inferita del tasso di espansione di Hubble fosse uniforme nel cielo.

In primo luogo, abbiamo elaborato i redshift della supernova e misurato le magnitudini apparenti (nel sistema eliocentrico), annullando le correzioni che erano state apportate nel catalogo JLA per le velocità locali “peculiari “(non Hubble). Questo era stato fatto per determinare i loro valori nel frame CMB in cui l’universo dovrebbe apparire isotropico; tuttavia, i precedenti lavori del nostro team avevano dimostrato che tali correzioni sono sospette perché velocità peculiari non diminuiscono con l’aumentare della distanza, quindi non c’è convergenza con il frame CMB anche se lontano un miliardo di anni luce “, afferma il professor Sarkar.

Nelle incertezze il vettore di accelerazione è allineato con il dipolo nella radiazione cosmica di fondo a microonde (indicata da una stella nera). Credito: astronomia e astrofisica

Energia oscura

Quando poi siamo ricorsi alla statistica standard per calcolare le probabilità ed estrarre i valori dei parametri, abbiamo fatto una scoperta sorprendente. I dati della supernova indicano, con un significato statistico di 3,9σ, un’anisotropia del dipolo nell’accelerazione inferita (vedi figura) nella stessa direzione mentre ci stiamo muovendo localmente, che è indicato da un dipolo simile, ben noto, nel CMB. Al contrario, qualsiasi accelerazione isotropica (monopolo) che può essere attribuita all’energia oscura è 50 volte più piccola e coerente con l’essere zero a 1.4σ. Secondo il criterio di informazione bayesiano, la migliore corrispondenza con i dati non ha, infatti, alcuna componente isotropica. Abbiamo dimostrato che lasciare l’evoluzione, con spostamento verso il rosso dei parametri utilizzati per adattarsi alle curve di luce della supernova, non cambia la conclusione, confutando così le precedenti critiche del nostro metodo.

La nostra analisi è basata sui dati e supporta la proposta teorica dovuta a Christos Tsagas (Università di Salonicco) secondo cui l’accelerazione può essere dedotta quando non siamo osservatori copernicani, come di solito si presume, ma siamo integrati in un flusso di massa locale condiviso dalle galassie vicine come è effettivamente rilevato. Ciò è inaspettato nel modello cosmologico standard e la ragione di tale flusso rimane inspiegabile. Ma indipendentemente da ciò, sembra che l’accelerazione sia un artefatto del nostro flusso locale, quindi l’ energia oscura non può essere invocato come causa.

Esistono, in effetti, altre indagini della nostra storia di espansione, ad esempio l’impronta delle oscillazioni barioniche acustiche (BAO) nella distribuzione delle galassie, le età delle stelle più antiche, il tasso di crescita della struttura, ecc.. Ma tali dati sono ancora troppo pochi e ugualmente ben coerenti con un universo non accelerato. Le fluttuazioni di temperatura misurate con precisione nel CMB non sono direttamente sensibili all’energia oscura, sebbene la sua presenza sia di solito dedotta dalla regola della somma che mentre il CMB misura la curvatura spaziale dell’universo vicino allo zero, il suo contenuto di materia non si aggiunge alla densità critica per renderlo tale. Questo, tuttavia, è vero solo sotto i presupposti di omogeneità esatta e isotropia – che sono ora in questione“.

Il professor Sarkar conclude: “Ma presto verranno compiuti progressi. Il Large Synoptic Survey Telescope misurerà molte più supernovae e confermerà o escluderà un dipolo nel parametro di decelerazione. Lo strumento spettroscopico a energia oscura e il satellite Euclid misureranno il tutto con maggiore precisione. European Extremely Large Telescope misurerà la “redshift drift” di fonti distanti per un periodo di tempo e quindi effettuerà una misurazione diretta della storia di espansione dell’universo“.

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