La gravità non viaggia su dimensioni extra

Nel 1998 gli astrofisici scoprirono qualcosa di sconvolgente per il destino ultimo dell’universo: l’espansione dell’universo è accelerata e tutto ciò sarebbe causato dalla presenza nell’universo di una misteriosa componente, di cui sappiamo poco o nulla, chiamata energia oscura.

Partiamo da questa scoperta di 20 anni fa per arrivare a uno degli argomenti che si trovano oggi al centro della ricerca nel campo della astrofisica.

Il modello LCDM

Dal 1998 a oggi, vari articoli scientifici sono venuti fuori e hanno provato a chiarire il mistero e molti esperimenti astrofisici sono stati pensati e attuati per raccogliere i dati necessari a fugare ogni dubbio sulla natura di questa energia oscura. Tutti gli esperimenti, però, non hanno fatto altro che dirci la seguente cosa: il miglior modello che descrive come è fatto l’universo è il modello LCDM (Lambda Cold Dark Matter). Cold Dark Matter vuol dire materia oscura fredda; già, c’è un’altra cosa di cui sappiamo molto poco e quella cosa è la materia oscura. Secondo il modello LCDM il 27% di quello che c’è nell’universo è fatto di materia oscura. Fredda, nel senso che questa materia oscura si è separata presto dalla materia ordinaria, nel lontano passato della storia dell’universo, andando a formare dei nidi (chiamati in gergo aloni di materia oscura) in cui poi si sono formate le galassie che oggi osserviamo.

Ma non è questo il punto di questo post: preoccupiamoci di Lambda.

Lambda è la lettera che viene usata in astrofisica per chiamare un particolare tipo di energia oscura; infatti, i dati ci dicono che l’energia oscura è una qualche componente che, nelle equazioni, può essere descritta come una costante chiamata costante cosmologica (se vi interessa conoscere tutta la storia della costante cosmologica, la potete ascoltare qui in 10 minuti). L’energia oscura sotto forma di costante cosmologica, dicono sempre i modelli che interpretano i dati, costituisce il 68% di quello che c’è nell’universo. In pratica, se mettiamo insieme materia ed energia oscura risulta che non sappiamo sostanzialmente nulla sul 95% di quello che c’è nell’universo. Bene ma non benissimo.

Le teorie di gravità modificata

Come dicevo, però, gli astrofisici non sono rimasti con i dati…ehm, pardon, con le mani in mano. Se date un’occhiata alla letteratura scientifica astrofisica sull’argomento energia oscura degli ultimi 20 anni (per esempio su ArXiv/astro-ph), trovate che potete formare due categorie:

1) Da una parte gli scienziati che ritengono che l’energia oscura sia una qualche forma di energia che dobbiamo ancora capire e quindi giù di brutto con esperimenti, telescopi, satelliti;

2) Dall’altra parte gli scienziati che ritengono che l’energia oscura in realtà non esista, ma che dobbiamo modificare la relatività generale, cioè la teoria che usiamo oggi per la gravità; magari usando una teoria più complessa che  può richiedere equazioni più complicate oppure un numero maggiore di dimensioni rispetto alle 3 spaziali + 1 temporale, a cui siamo abituati, oppure entrambe le cose. Questa categoria propone dunque teorie di gravità modificata (Modified gravity theories, in inglese).

Concentriamoci sul secondo gruppo. Naturalmente chi ritiene che la relatività generale sia da cambiare propone teorie di gravità modificata in grado di riprodurre i dati osservati finora ma anche nuovi dati da acquisire e quindi, anche in questo caso ovviamente giù di brutto con esperimenti, telescopi, satelliti.

Come sono fatte le teorie di gravità modificata?

Uff, prima di tutto va detto che il numero delle teorie di gravità modificata è assolutamente enorme e non basterebbe un blog intero per raccontarle tutte probabilmente. Se volete farvi del male (io non mi opporrò) potete leggere questa review di 312 pagine scritta da gente abbastanza sul pezzo. Il filo conduttore di tutte queste teorie, comunque, è provare a dare una spiegazione alternativa all’espansione accelerata dell’universo senza però scomodare l’energia oscura.

Teorie di gravità modificata ne abbiamo?

Mi è capitato di assistere a una miriade di seminari in cui ricercatori brillanti esponevano la loro teoria di gravità modificata. Il mio commento personale è sempre stato lo stesso: una teoria assolutamente geniale ma di difficoltà imbarazzante conciliarla con i dati osservati. Questo per dire che il problema è veramente serio e le migliori menti stanno provando in questo momento a trovare la via giusta per capire cosa diavolo è questa energia oscura.

Molte teorie di gravità modificata funzionano così: le equazioni della relatività generale sono modificate in modo tale da aggiungere dei termini (che è lecito aggiungere, sia chiaro) per cui sotto una certa scala spaziale tutto è uguale alla relatività generale che conosciamo, mentre su distanze più grandi i termini aggiuntivi diventano importanti e si comportano come l’energia oscura. In pratica, secondo queste teorie si genera un meccanismo camaleontico in cui la gravità si comporta diversamente a seconda della scala su cui agisce.

Altre teorie di gravità modificata fanno invece ricorso all’esistenza di dimensioni extra. La relatività generale lavora in uno spaziotempo che ha 3 dimensioni spaziali e una temporale, per dirla in breve possiamo dire che è una teoria 3+1. Tuttavia ci sono teoria di gravità modificata in cui vengono introdotte altre dimensioni extra in cui la gravità opera.

Tutte queste teorie imperversano continuamente nelle conferenze astrofisiche in giro per il mondo. E, aggiungo io, anche giustamente, visto che così è che funziona la scienza.

E poi alla fine arrivano le onde gravitazionali

GW170817, vi ricordate? Il segnale di onde gravitazionali generato dalla collisione di due stelle di neutroni dello scorso 17 agosto 2017 (se non vi ricordate, potete leggere tutto qua).

In un articolo scientifico del 24 gennaio 2018, gli astrofisici Pardo, Fishback, Holz e Spergel hanno proprio preso i dati di GW170817 per provare a testare soprattutto quelle teorie di gravità modificata che introducono dimensioni extra.

Come hanno fatto questo studio? Il ragionamento è il seguente.

Secondo la relatività generale con 3+1 dimensioni, il segnale delle onde gravitazionali è legato in un certo modo alla distanza della sorgente (l’abbiamo già visto qui, vi ricordate?).

Se la gravità agisse anche su dimensioni extra allora questa relazione tra intensità delle onde gravitazionali e distanza della sorgente sarebbe diversa. Per capire dove sta la verità ci serve una misura che mette d’accordo tutti. Ci serve un modo per misurare la distanza della sorgente che non usi le onde gravitazionali. Per esempio, si potrebbe usare le onde elettromagnetiche (cioè la luce) emesse dalla sorgente, visto che GW170817 ha anche emesso lampi di raggi gamma.

In tale maniera, dalla misura delle onde gravitazionali possiamo stimare la distanza che ci aspettiamo dalla relatività generale e la distanza che ci aspettiamo dalle teorie con dimensioni extra; poi confrontiamo tutto con la distanza stimata grazie ai lampi di raggi gamma. Così scopriamo se le onde gravitazionali misurate finora sono consistenti con una gravità in 3+1 dimensioni oppure ci sono indizi per l’esistenza di dimensioni extra.

Indovinate un po’? I dati dell’onda gravitazionale del 17 agosto 2017 sono consistenti con la relatività generale con 3+1 dimensioni. Ma attenzione: questo non vuol dire che non ci siano altre dimensioni extra. Le dimensioni extra potrebbero essere magari piccolissime. Per esempio, classico esempio, pensate a una persona che cammina su un cavo: per quello che interessa alla persona, il cavo ha una sola dimensione importante, la lunghezza; per un insetto sul cavo invece, anche la larghezza conta (vedi disegno qui sotto).

Le dimensioni extra sono punti di vista.
E allora le dimensioni extra?

Quindi le dimensioni extra nel nostro universo potrebbero essere arrolotate in qualche modo che per noi risultano non influenti (ma potrebbero esserlo per le particelle elementari, invece).  Ciò che invece ci dicono le onde gravitazionali è che non sembrano esserci dimensioni extra grandi, mentre  se quelle arrotolate piccolissime esistono, ebbene queste non sono influenti per la descrizione della gravità. La gravità, a quanto pare, non viaggia su dimensioni extra.

Insomma, se mentre siete a fare colazione la mattina al bar qualcuno se ne esce fuori con una teoria della gravità in 4+1 dimensioni che spiega l’energia oscura, beh niente, dopo aver finito con calma il vostro cappuccino potete tranquillamente affermare che ora sappiamo che le onde gravitazionali che abbiamo misurato ci dicono che quella teoria non va bene nel nostro universo.

Poi, volendo, potete aggiungere che ancora non sappiamo niente dell’energia oscura vero, ma questo non vuol dire che la scienza non funzioni bene. Anzi: proprio il fatto che pian piano escludiamo potenziali teorie sulla gravità, vuol dire che stiamo facendo passi da gigante. La scienza va avanti anche quando incontra un muro, l’importante è che abbia provato a buttarlo giù, quel muro.

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