L’energia oscura precoce potrebbe risolvere i due più grandi enigmi della cosmologia

Roma – Una forza misteriosa, nota come energia oscura precoce, potrebbe risolvere due dei più grandi enigmi della cosmologia e colmare alcune importanti lacune nella nostra comprensione di come si è evoluto l’universo primordiale. A dirlo un nuovo studio condotto da fisici dell’Istituto di Tecnologia del Massachusetts, MIT, riportato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Uno degli enigmi in questione è la “tensione di Hubble”, che si riferisce a una discrepanza nelle misurazioni della velocità di espansione dell’universo. L’altro riguarda le osservazioni di numerose galassie precoci e luminose che esistevano in un momento in cui l’universo primordiale avrebbe dovuto essere molto meno popolato. Ora, la squadra di ricerca del MIT ha scoperto che entrambi gli enigmi potrebbero essere risolti se l’universo primordiale avesse un ingrediente aggiuntivo e fugace: l’energia oscura precoce. L’energia oscura è una forma di energia sconosciuta che i fisici sospettano stia guidando l’espansione dell’universo attuale. L’energia oscura primordiale è un fenomeno simile e ipotetico che potrebbe aver fatto solo una breve apparizione, influenzando l’espansione dell’universo nei suoi primi momenti prima di scomparire del tutto. Alcuni fisici hanno sospettato che l’energia oscura precoce potrebbe essere la chiave per risolvere la tensione di Hubble, in quanto la forza misteriosa potrebbe accelerare l’espansione precoce dell’universo di una quantità tale da risolvere il disallineamento delle misure. I ricercatori del MIT hanno ora scoperto che l’energia oscura precoce potrebbe anche spiegare lo sconcertante numero di galassie luminose che gli astronomi hanno osservato nell’universo primordiale. Per lo studio gli scienziati hanno modellato la formazione delle galassie nelle prime centinaia di milioni di anni dell’universo. Quando hanno incorporato una componente di energia oscura solo in quel primo lasso di tempo, hanno scoperto che il numero di galassie nate dall’ambiente primordiale è cresciuto fino a soddisfare le osservazioni degli astronomi. “Si tratta di due enigmi aperti e incombenti”, ha affermato Rohan Naidu, postdoc presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT e coautore dello studio. “Scopriamo che in realtà l’energia oscura precoce è una soluzione molto elegante e rada a due dei problemi più pressanti della cosmologia”, ha continuato Naidu. In base ai modelli cosmologici e di formazione delle galassie standard, l’universo avrebbe dovuto prendersi il suo tempo per far crescere le prime galassie. Ci sarebbero voluti miliardi di anni perché il gas primordiale si coalizzasse in galassie grandi e luminose come la Via Lattea. Ma, nel 2023 il James Webb Space Telescope, JWST, della NASA ha fatto un’osservazione sorprendente. Grazie alla capacità di scrutare più indietro nel tempo di qualsiasi altro osservatorio fino ad oggi, il telescopio ha scoperto un numero sorprendente di galassie luminose grandi come la moderna Via Lattea nei primi 500 milioni di anni, quando l’universo aveva solo il 3% della sua età attuale. “Le galassie luminose osservate dal JWST sarebbero come un ammasso di luci intorno alle grandi città, mentre la teoria prevede qualcosa di simile alla luce intorno a contesti più rurali come il Parco Nazionale di Yellowstone”, ha spiegato Jacob Shen, postdoc del Kavli Xuejian e autore principale dello studio. “E non ci aspettiamo questo raggruppamento di luci così presto”, ha proseguito Shen. Per i fisici, le osservazioni implicano che c’è qualcosa di fondamentalmente sbagliato nella fisica alla base dei modelli o un ingrediente mancante nell’universo primordiale di cui gli scienziati non hanno tenuto conto. La squadra di riccerca del MIT ha esplorato la possibilità di quest’ultima ipotesi, e se l’ingrediente mancante possa essere l’energia oscura precoce.  I fisici hanno proposto che l’energia oscura precoce sia una sorta di forza antigravitazionale che si attiva solo in tempi molto precoci. Questa forza contrasterebbe l’attrazione della gravità verso l’interno e accelererebbe l’espansione precoce dell’universo, in modo da risolvere il disallineamento delle misurazioni. L’energia oscura precoce, quindi, è considerata la soluzione più probabile alla tensione di Hubble. Il gruppo di scienziati del MIT ha esaminato se l’energia oscura precoce possa essere anche la chiave per spiegare l’inaspettata popolazione di galassie grandi e luminose rilevate dal JWST. Nel loro nuovo studio, i fisici hanno considerato come l’energia oscura precoce potrebbe influenzare la struttura iniziale dell’universo che ha dato origine alle prime galassie. Si sono concentrati sulla formazione di aloni di materia oscura, regioni dello spazio dove la gravità è più forte e dove la materia inizia ad accumularsi. “Crediamo che gli aloni di materia oscura siano lo scheletro invisibile dell’universo”, ha dichiarato Shen. “Prima si formano le strutture di materia oscura e poi si formano le galassie all’interno di queste strutture; quindi, ci aspettiamo che il numero di galassie luminose sia proporzionale al numero di grandi aloni di materia oscura”, ha evidenziato Shen. La squadra di ricerca ha sviluppato un quadro empirico per la formazione delle prime galassie, che prevede il numero, la luminosità e le dimensioni delle galassie che dovrebbero formarsi nell’universo primordiale, date alcune misure di “parametri cosmologici”. I parametri cosmologici sono gli ingredienti di base, o termini matematici, che descrivono l’evoluzione dell’universo. I fisici hanno stabilito che esistono almeno sei parametri cosmologici principali, uno dei quali è la costante di Hubble, un termine che descrive il tasso di espansione dell’universo. Altri parametri descrivono le fluttuazioni di densità nel brodo primordiale, subito dopo il Big Bang, da cui alla fine si formano gli aloni di materia oscura. Il gruppo di ricercatori del MIT ha pensato che, se l’energia oscura precoce influisce sul tasso di espansione iniziale dell’universo, in modo tale da risolvere la tensione di Hubble, allora potrebbe influenzare l’equilibrio degli altri parametri cosmologici, in modo tale da aumentare il numero di galassie luminose che appaiono in tempi precoci. Per verificare la loro teoria, gli scienziati hanno incorporato un modello di energia oscura precoce, lo stesso che risolve la tensione di Hubble, in un quadro empirico di formazione delle galassie, per vedere come le prime strutture di materia oscura si evolvono e danno origine alle prime galassie. “Quello che dimostriamo è che la struttura scheletrica dell’universo primordiale è alterata in modo sottile, dove l’ampiezza delle fluttuazioni aumenta, e si ottengono aloni più grandi e galassie più luminose che sono in atto in epoche precedenti, più che nei nostri modelli più vaniglia”, ha precisato Naidu. “Significa che le cose erano più abbondanti e più raggruppate nell’universo primordiale”, ha notato Naidu.“A priori, non mi sarei aspettato che l’abbondanza delle prime galassie luminose di JWST avesse a che fare con l’energia oscura precoce, ma l’osservazione che l’EDE spinge i parametri cosmologici in una direzione che aumenta l’abbondanza delle prime galassie è interessante”, ha dichiarato Marc Kamionkowski, professore di fisica teorica alla Johns Hopkins University, che non ha partecipato allo studio. “Penso che occorrerà lavorare di più per stabilire un legame tra le galassie primordiali e l’EDE, ma a prescindere da come andranno le cose, si tratta di un tentativo intelligente e, si spera, fruttuoso”, ha commentato Kamionkowski. “Abbiamo dimostrato il potenziale dell’energia oscura precoce come soluzione unificata ai due principali problemi della cosmologia. questo potrebbe essere una prova della sua esistenza se i risultati osservativi di JWST si consolidano ulteriormente”, ha detto Mark Vogelsberger, professore di fisica del MIT e autore dello studio. “In futuro, potremo incorporarla in grandi simulazioni cosmologiche per vedere quali previsioni dettagliate otterremo”, ha concluso Vogelsberger. (30Science.com)