Nel 2011 il Premio Nobel per la Fisica ha premiato gli scopritori della recente accelerazione, negli ultimi miliardi di anni, dell’espansione dell’universo visibile. Ci aspettavamo un rallentamento continuo dal Big Bang.

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare a prima vista senza leggere le spiegazioni del Comitato per il Nobel, non si trattava della scoperta dell’energia oscura. Questo è solo un modo per spiegare l’accelerazione dell’espansione e dare un significato a ciò che spiega nelle equazioni relativistiche di Einstein per la gravità, la sua famosa costante cosmologica.

Tra le possibili spiegazioni per questa costante c’è che è una proprietà tanto semplice della teoria della gravità quanto la costante di Newton è implicita in questa teoria. Può anche essere una densità di energia minima per un campo scalare simile al campo di Brout-Englert-Higgs.

In quest’ultimo caso, la costante cosmologica di Einstein sarebbe infatti una quantità dinamica in grado di evolvere nello spazio ma anche nel tempo, che potrebbe aiutare a risolvere l’attuale crisi della cosmologia.

Energia quantistica del vuoto?

anzi, potrebbe essere una manifestazione di quella che è nota come energia di punto zero dei campi quantistici, sia esso il campo elettromagnetico oi campi di Dirac di quark e leptoni. Ci sarà anche un contributo di punto zero al campo gravitazionale. Per inciso, tutti questi punti zero sono conseguenze della disuguaglianza di Heisenberg che impedisce a una particella di avere sia una posizione infinitamente precisa che una velocità nulla. Quindi esiste necessariamente uno stato fondamentale di oscillazione e attività per un campo quantistico che non può essere ridotto. Allora la costante cosmologica sarebbe necessariamente costante nel tempo e nello spazio e sarebbe impossibile estrarre energia dal vuoto quantistico che questi campi occupano, altrimenti implicherebbe altra meccanica quantistica.

Helge Krag, rinomato storico della scienza dell’Università di Copenaghen, spiega in occasione del simposio sull’editoriaThe Oxford Handbook of the History of Quantum Interpretations Il problema dell’energia di punto zero dei campi quantistici è stato rilevante per la cosmologia sin dal suo inizio, o quasi. Per una traduzione francese più o meno accurata, clicca sul rettangolo bianco in basso a destra. Dovrebbe apparire la traduzione inglese. Quindi fai clic sul dado a destra del rettangolo, quindi fai clic su Sottotitoli e infine Sottotitoli automaticamente. Scegli “Francese”. © idee nella scienza

Un modo per scegliere tra queste teorie è effettuare misurazioni sempre più precise nello spazio e nel tempo del valore della costante cosmologica.

Un modo per farlo si basa sul fatto che l’accelerazione dell’espansione causata dall’energia oscura si comporta come una sorta di effetto antigravità con l’espansione dello spazio che si oppone alla gravità classica. L’effetto è trascurabile nel sistema solare ea livello di galassia, ma può cominciare a farsi sentire a livello di ammassi di galassie opponendosi alla loro formazione e ai loro movimenti.

Gli ammassi di galassie possono essere studiati sfruttando il fatto che sono immersi in un plasma estremamente caldo e quindi emettono raggi X. Osservatorio Spektr-RG.

Una crescita del numero di ammassi di galassie che la natura dell’energia oscura impedisce

Recentemente, I-Non Chiu della National Cheng Kung University di Taiwan, in collaborazione con astrofisici di Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera (LMU) Matthias Klein, Sebastien Bouquet e Joe Mohr hanno pubblicato il primo studio sull’energia oscura utilizzando eRosita, che si basa proprio sullo studio degli ammassi di galassie. Ciò ha portato a un articolo che può essere consultato gratuitamente su arXiv.

Nel comunicato stampa LMU che accompagna questo articolo, Matthias Klein spiega che ” Possiamo imparare molto sulla natura dell’energia oscura contando il numero di ammassi di galassie che si sono formati nell’universo in funzione del tempo o da una prospettiva di osservazione diretta in funzione del redshift. Questo numero è una funzione delle proprietà dell’energia oscura e delle teorie che la prevedono.

Quindi è stato identificato nell’ambito della cosiddetta campagna di sorveglianza L’ultima indagine di profondità tropicale di eRosita (eFEDS), un preambolo che copre circa l’1% del caveau per una campagna che coprirà tutto.

Tutto questo somiglia a circa 500 ammassi di galassie distribuiti in una sorta di carota temporale attraverso strati di luce che coprono gli ultimi 10 miliardi di anni dell’universo osservabile studiato.

Alla precisione delle misurazioni attuali, i ricercatori concludono, ancora una volta, che la densità energetica dell’energia oscura sembra essere uniforme nello spazio e costante nel tempo.

« I nostri risultati concordano bene anche con altri metodi indipendenti, come gli studi precedenti sugli ammassi di galassie e quelli che utilizzano lenti gravitazionali deboli e il fondo cosmico a microonde. Finora, tutte le prove osservative, compresi i più recenti risultati eFEDS, indicano che l’energia oscura può essere descritta da una semplice costante Sebastien Bouquet conclude.

Dovresti saperne di più sulla missione di Euclide e sul telescopio Vera Rubino. Un cambiamento della costante cosmologica potrebbe significare che un giorno ci sarà un’inversione di espansione e quindi un nuovo Big Bang. Altrimenti l’espansione continuerà per sempre, ma anche l’eternità può finire secondo il premio Nobel per la fisica Roger Penrose…

Sappiamo molto poco dell’universo. Gli ingredienti che compongono il 4% della densità energetica – materia “ordinaria” come protoni e neutroni – sono solo una piccolissima parte della “ricetta dell’universo”. La composizione del restante 96% è ambigua. Oggi si pensa che il 26% sia materia oscura. Tuttavia, la quota maggiore, stimata al 70%, è costituita da energia oscura. Per comprenderne la natura, gli scienziati hanno osservato stelle molto grandi e molto calde, ammassi di galassie, costituiti da molte migliaia di galassie che si muovono a velocità diverse in un campo gravitazionale comune. All’interno, queste strane strutture sono piene di un gas debole ed estremamente caldo che può essere osservato attraverso le emissioni di raggi X. È qui che entrano in gioco gli “occhi” a raggi X di eRosita. Permettono di osservare ammassi di galassie e di vedere come si muovono nell’universo e, soprattutto, a che velocità si muovono. Si spera che questi movimenti ci diranno di più sull’energia oscura. © Centro aerospaziale tedesco (DLR)