8 minuti di letturaE se l'energia oscura non esistesse affatto?

L’energia oscura è una di quelle cose che sappiamo sull’universo ma di cui in realtà non sappiamo proprio niente. Magari perché non esiste? Non lo sappiamo, tanto per cambiare, ma i dubbi sono sempre i benvenuti.

In astrofisica i dubbi sono all’ordine del giorno, tutto regolare. Per forza, non può essere altrimenti: si ha a che fare con l’osservazione di fenomeni al di fuori della nostra portata pratica. Per studiare i buchi neri ci servono tubi lunghi qualche kilometro in totale isolamento in grado di misurare le vibrazioni dello spaziotempo (le onde gravitazionali) e per il resto ci affidiamo alla luce che emettono stelle in galassie e gas sparso nell’universo. Non il massimo, certo. Eppure siamo riusciti a fare tantissimo, soprattutto nell’ultimo secolo, soprattutto grazie all’arrivo di sempre più dati e alla conseguente riduzione degli errori di misura.

Probabilmente questo succederà anche nelle prossime puntate della storia che sto per raccontarvi oggi. E allora, iniziamo.

Da dove salta fuori l’idea dell’energia oscura

Quando nel 1998 furono osservate per la prima volta le evidenze di un universo in espansione accelerata da Riess, Schmidt e Perlmutter, il clamore fu simile forse solo alla scoperta dell’espansione stessa dell’universo da parte di Hubble e Lemaitre alla fine degli anni Venti del Novecento. Il fatto che poi, questa espansione accelerata, dovesse essere guidata da quella che chiamiamo energia oscura alimenta il mistero sulle nostre conoscenze e le certezze sulla nostra ignoranza. Inutile dire come poi sia il mistero sia le certezze siano stati amplificate alla notizia che questa energia oscura dovrebbe essere il 68% di tutto ciò che è contenuto nell’universo.

Nel 2011 fu assegnato il premio Nobel per la fisica ai tre astrofisici che hanno coordinato la scoperta del 1998. Stiamo parlando quindi di qualcosa avvenuto praticamente ieri, per quanto riguarda i tempi scala delle scoperte che lasciano il segno.

Una questione di supernovae

La scoperta dell’espansione accelerata dell’universo e quindi dell’energia oscura è stata resa possibile grazie allo studio delle supernovae di tipo Ia.

Le supernovae di tipo Ia sono esplosioni che avvengono quando c’è un sistema binario composto da una stella e da una nana bianca: quest’ultima succhia materiale dalla stella fino a un certo punto; dopodiché la nana bianca non riesce più a sostenere il suo peso ed esplode tutto (questo per sommi capi). Il fatto che questa esplosione avvenga sempre quando la nana bianca si avvicina a una certa massa (detta massa di Chandrasekhar, pari a circa una volta e mezzo la massa del Sole) rende possibile usare le supernovae di tipo Ia come se fossero lampadine cosmiche di cui conosciamo già la luminosità.

Il discorso è: abbiamo osservato una supernova di tipo Ia? Bene, allora una nana bianca deve aver mangiato gas fino a una volta e mezzo la massa del Sole. È (più o meno) sempre così.

Ora, se abbiamo una lampadina di cui conosciamo già la luminosità (diciamo 100 watt) e la mettiamo a distanze sempre più lontane (sconosciute), possiamo fare questa cosa: possiamo misurare il flusso di luce che ci arriva e, sapendo che in realtà la lampadina è da 100 watt, quindi stimare la distanza a cui è stata posta.

Con le supernovae di tipo Ia si fa la stessa cosa. E siccome le supernovae di tipo Ia sono fenomeni che avvengono in galassie, in questo modo misuriamo la distanza delle galassie. Inoltre, le supernovae di tipo Ia sono molto brillanti quando avvengono (sono pur sempre violente esplosioni cosmiche): questo ci permette di misurare la distanza di galassie molto lontane e quindi capire che cosa succede all’universo su scale molto grandi.

Ecco, nel 1998 si è visto che le supernovae di tipo Ia (e quindi le galassie che le ospitavano) erano molto meno brillanti del previsto. La spiegazione che si è vista funzionare per spiegare questo fenomeno è stata quella di universo che si espande aumentando sempre più il proprio tasso di espansione (cioè un’espansione accelerata, come si dice in gergo).

Supernovae giovani e anziane

In tutto questo è stata fatta un’ipotesi importante: le supernovae di tipo Ia brillano sempre allo stesso modo, a prescindere dalla distanza. Questo sembra una cosa normale ma pensateci un attimo. Prendiamo una galassia lontana, diciamo, 10 miliardi di anni luce: quando la guardiamo, noi vediamo l’immagine di com’era questa galassia 10 miliardi di anni fa. Questo perché la luce viaggia nell’universo a circa 300 mila km al secondo e quindi impiega 10 miliardi di anni per raggiungerci sulla Terra e finire nel nostro occhio o telescopio.

Ora, chi ci dice che una supernova di tipo Ia 10 miliardi di anni fa esplodeva come farebbe una supernova oggi? Questo perché più guardiamo l’universo distante, più vediamo l’universo nel passato. In gergo, si dice che guardiamo l’universo ad alto redshift. Quindi, una supernova esplosa 10 miliardi di anni fa si trovava in un universo più giovane di quello attuale: sicuro non sia un fattore da considerare questo?

Nel 1998 si erano già posti questo dubbio infatti, si tratta di astrofisici seri eh. In quel caso gli autori dei vari studi della scoperta (gli astrofisici Riess, Schmidt, Perlmutter) cercarono di capire se ci fossero differenze tra le supernovae di tipo Ia trovate nelle galassie ellittiche e quelle trovate nelle galassie a spirale. Gli astrofisici trovano che la differenza c’era, sì, ma era davvero molto piccola per avere un qualche impatto sulla stima del tasso di espansione dell’universo e quindi dell’energia oscura.

Più di recente però si è pensato di estendere questo tipo di analisi. Per esempio, magari non le supernovae di tipo Ia non dipendono dal tipo di galassie in cui avvengono, ma vale la pena controllare se ci sono possibili correlazioni con la massa delle galassie che le ospita, oppure con altre caratteristiche fisiche non passate al vaglio nel 1998. La lista di lavori in questa direzione e lunga e balziamo direttamente al lavoro più recente, che sembra essere anche molto interessante.

Forse si può fare a meno dell’energia oscura

Alcuni astrofisici (Kang et al.) hanno infatti trovato che forse queste differenze nelle supernovae di tipo Ia man mano che si va più lontano a osservare in termini di distanza (e quindi, per quello che dicevo prima, anche man mano più indietro nel passato) sembrerebbero esistere.

La ricerca di Kang et al. è uscita sul sempre utile ArXiv il 10 dicembre 2019, quindi è roba fresca; ed è stata anche già accettata per la pubblicazione su The Astrophysical Journal (quindi ha passato con successo il processo di peer-review).

Il punto di questa nuova ricerca è che un modello teorico di universo senza energia oscura (tenendo fermi tutti gli altri parametri cosmologici) e che tiene conto delle differenze di brillantezza delle supernovae al variare del redshift dà risultati simili, in termini di confronto con i dati, di un modello con il 68% di energia oscura ma assumendo che non ci siano differenze nelle supernovae osservate.

In verticale c’è una quantità relativa alla brillantezza delle supernovae di tipo Ia (sopra lo zero, le supernovae sono più deboli, sotto lo zero sono più brillanti); in orizzontale c’è il redshift (più si va a destra a redshift alti e più si va lontano nello spazio e indietro nel tempo a osservare); i puntini blu sono i dati osservati. Lasciate perdere la curva gialla, non ci interessa: invece, più importanti sono la curva nera che è quella con il 68% di energia oscura e le curve rossa e verde che sono il modello senza energia oscura che tiene conto dell’evoluzione delle supernovae con il redshift.
Crediti: ArXiv:1912.04903

Come vedete dai grafici, in pratica è abbastanza difficile distinguere i casi con e senza energia oscura se si tiene conto dell’evoluzione della brillantezza delle supernovae al variare del redshift.

Per fare questo ultimo lavoro gli astrofisici hanno usato circa 50 supernovae di tipo Ia in galassie che si trovano fino a massimo redshift uguale a 0,05. Dalla luce delle galassie si sono stimate alcune quantità fondamentali tipo l’età delle galassie e il loro contenuto di elementi atomici più pesanti dell’elio. Queste quantità sono state poi messe a confronto con la brillantezza delle supernovae per capire se ci sono delle correlazioni.

I risultati danno che per alcune caratteristiche sono state osservate delle correlazioni.

In verticale c’è la stessa quantità della figura precedente, in orizzontale c’è l’età della galassia che ospita la supernova di tipo Ia: i dati sono messi a confronto con una potenziale correlazione tra le due quantità (linea retta obliqua). Crediti: ArXiv:1912.04903

E in alcuni casi invece di correlazioni neanche l’ombra.

In verticale c’è la stessa quantità della figura precedente, in orizzontale c’è l’abbondanza di elementi atomici pesanti nella galassia che ospita la supernova di tipo Ia: non si vede nessuna correlazione tra i dati. Crediti: ArXiv:1912.04903

Mettendo insieme tutto, alla fine viene fuori un modello per come potrebbe evolvere la brillantezza delle supernovae di tipo Ia man mano che guardiamo l’universo ad alto redshift. È questo modello trovato che sembra fare lo stesso lavoro, quando confrontato con i dati, di un modello in cui l’energia oscura è il 68% del contenuto dell’universo.

E adesso?

Messa così viene quasi da preoccuparsi seriamente. Questa nuova ricerca di Kang et al., sulle supernovae sembra smontare completamente la ricerca del 1998, ma in realtà il mondo delle supernovae di tipo Ia è molto più complicato.

Pensate che se ne discute da decenni di come capire se particolari fenomeni astrofisici possano essere buoni indicatori di distanza: è probabilmente il problema numero uno dell’astrofisica da sempre (un esempio stagionato ma attuale è a questo link).

Il modello per l’evoluzione delle supernovae di tipo Ia trovato da Kang et al. ha usato solo galassie fino a un certo redshift ed è stato estrapolato a redshift più alti per poterlo confrontare con i dati. Kang et al. hanno valutato ciò nel loro lavoro e ritengono che non sia un grosso problema. Sicuramente, come ben sottolineano, il punto cruciale è nella riduzione degli errori statistici: avere un campione di galassie e supernovae di tipo Ia sempre più grande non può far altro che aiutare a capire meglio questa evoluzione delle supernovae ad alto redshift.

Senza dubbio, Kang et al. hanno indicato che c’è un potenziale grosso problema nell’analisi delle supernovae di tipo Ia e, di conseguenza, il loro uso cosmologico per studiare i vari modelli di universo. È abbastanza chiaro che questo dell’evoluzione delle supernovae di tipo Ia con il redshift sarà un fattore importante di cui tenere conto in futuro.

Anche ottenere dati sempre più precisi sulle supernovae può essere doppiamente utile: da un lato per capire meglio come le supernovae di tipo Ia evolvono con il redshift, dall’altro lato per ridurre gli errori e quindi capire meglio quale modello, con o senza energia oscura, è davvero in grado di riprodurre ciò che osserviamo.

In realtà, al di là dei Nobel e dell’energia oscura, a rischiare di uscire con le ossa parecchio rotte da questa discussione puramente scientifica è la cosmologia fatta usando le supernovae di tipo Ia come strumento affidabile di analisi per testare le proprietà generali dell’universo. Tra l’altro, poi, bisognerà affrontare anche la radiazione di fondo, i cui dati sono perennemente in discrepanza con quelli delle supernovae per quanto riguarda la stima della costante di Hubble (e quindi anche dell’energia oscura). Comunque sia, anche dal lato radiazione di fondo c’è poco da stare sereni: abbiamo visto già pochi giorni fa su questo blog che anche la radiazione di fondo potrebbe avere brutte gatte da pelare internamente ai suoi dati.

Tutto molto preoccupante, ma anche tutto molto eccitante: di solito, nei migliori film, è proprio quando sembra che non ci si capisca più niente che arriva la svolta decisiva. Vediamo che succede, io preparo i popcorn.


Qui trovate l’articolo di Kang et al.


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