Energia oscura contro gravità modificata: quale delle due avrà la meglio? La teoria della relatività generale di Einstein prevede l’esistenza dell’energia oscura, ossia una forma misteriosa di energia che permea lo spazio e accelera l’espansione dell’universo. Ma supponiamo che Einstein avesse torto e che l’energia oscura non esista? Il progetto GalaxyDance ha preso in esame questo scenario. Spazio © GiroScience, Shutterstock Per quanto abbia finora dimostrato di essere accurata, la relatività generale non è la sola teoria che possa fornire spiegazioni sulla gravitazione. In effetti, ci sono varie teorie alternative in circolazione. Gli scienziati, semplicemente, non sono sicuri di come queste siano in grado di resistere all’osservazione e alle simulazioni. Per colmare questa lacuna, il progetto GalaxyDance, intrapreso con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, ha usato informazioni codificate in insolite statistiche della velocità delle galassie nell’universo locale in aggiunta a osservazioni delle distorsioni spazio-spostamento verso il rosso (RSD, redshift space distortions) di galassie distanti. Il dott. Wojciech Hellwing, coordinatore del progetto e ricercatore borsista al Centro di fisica teorica dell’Accademia polacca delle Scienze, parla dei risultati ottenuti finora dal progetto. Cosa rende l’espansione dell’universo così difficile da comprendere? Man mano che ci spingiamo più in profondità e più lontano nelle nostre osservazioni dell’universo, rimaniamo ancora disorientati da alcune delle sue proprietà. Una di queste è l’espansione accelerata dello spazio-tempo, che viene attualmente attribuita all’energia oscura. Ma la verità è che abbiamo bisogno di tenere conto dell’energia oscura solo se la teoria della gravità di Einstein è valida su tutte le scale del cosmo. Ci sono altre possibili spiegazioni per l’espansione accelerata che non prevedono l’energia oscura. Queste teorie vanno oltre la relatività generale e sono comunemente chiamate «gravità modificata». Mettere alla prova la relatività generale e queste alternative su scala intergalattica è un problema pressante e importante per la moderna astronomia extragalattica, ed era lo scopo di GalaxyDance. Ci può dire di più sul vostro approccio? GalaxyDance introduce un approccio innovativo che consiste nell’utilizzare statistiche di ordine inferiore delle velocità e del raggruppamento delle galassie per testare la teoria della gravità di Einstein e le sue controparti. Questo test copre le scale intergalattiche, un regime in cui la teoria della gravità non è stata finora testata in modo rigoroso. Ho dimostrato che questo approccio presenta diversi vantaggi unici: è indipendente dal modello della gravità, privo di distorsione significativa relativa alla galassia e fondamentalmente non influenzato dalla fisica barionica. Ho utilizzato delle simulazioni al computer all’avanguardia che ricreano un universo virtuale in un supercomputer. Effettuando e analizzando queste simulazioni, siamo in grado di testare le teorie che vanno oltre la relatività generale (GR, general relativity) e delineare dei risultati promettenti. Cosa rende questo approccio particolarmente innovativo? L’utilizzo di grandi simulazioni con supercomputer era in precedenza impossibile nei modelli oltre la GR, a causa della loro complessità e dispendiosità numerica. Per ridurre questo problema, abbiamo deciso di usare un algoritmo di accelerazione che, a lieve discapito della precisione, può modellare l’evoluzione dell’universo in modo molto più efficiente. Ho dimostrato con successo che, nel caso delle velocità cosmiche, un simile approccio approssimato risulta sufficiente per ottenere risultati robusti. Quali sono i risultati più importanti del progetto? Indubbiamente, un risultato è la nuova serie di grandi simulazioni all’avanguardia di teorie alternative che renderà possibili studi senza precedenti dei campi di velocità cosmiche. Abbiamo già dimostrato che le statistiche di ordine inferiore del campo della velocità della galassia dovrebbero contenere un forte segnale della gravità modificata. Tuttavia, abbiamo anche mostrato che, per misurare ed estrarre questo segnale, una modellizzazione dedicata e accurata dell’impatto delle nostre strutture cosmiche vicine, come ad esempio l’Ammasso della Vergine, sarà di importanza fondamentale per il successo del nostro metodo. Che risultati sperate ancora di ottenere prima della conclusione del progetto? Applicheremo un'ulteriore modellizzazione dei processi che determinano colori, luminosità e forme delle galassie. Questo renderà possibile la creazione di archivi di galassie artificiali che mostrano che cosa sarebbe stato creato in un universo governato da alternative alla teoria della gravità di Einstein. Successivamente, metteremo a confronto i nostri risultati con le osservazioni astronomiche esistenti e con quelle imminenti per fornire nuovi rigidi test della gravità sulle scale più grandi. Qual è stato il riscontro da parte della comunità scientifica finora? Molti colleghi hanno espresso interesse e persino entusiasmo riguardo ai nostri risultati quando li abbiamo presentati a convegni internazionali di cosmologia. Inoltre, abbiamo avviato nuove collaborazioni con colleghi che possiedono competenze complementari nel campo delle osservazioni delle galassie (da Lione in Francia) e nella modellizzazione delle strutture cosmiche vicine (colleghi da Potsdam in Germania). Siamo molto entusiasti di queste collaborazioni. Quale spera sarà l’impatto nel lungo periodo del progetto? Come prepara la comunità scientifica per l’era dei megadati cosmologici? GalaxyDance fornirà un nuovo modo per trasformare in realtà i test cosmologici delle teorie gravitazionali. I risultati finali, a prescindere da quale teoria favoriranno (energia oscura o gravità modificata), avranno delle conseguenze di vasta portata e rivoluzionarie per la nostra comprensione dell’universo sulle scale più grandi. Se i nostri test alla fine forniranno un segno distintivo della nuova fisica prevista nelle teorie oltre la GR, esso sconvolgerà la nostra visione e comprensione attuale dell’evoluzione su larga scala del cosmo. Se, d’altro canto, la nostra indagine rafforzasse la relatività generale, questo vorrà dire che dobbiamo guardare con maggior impegno per spiegare il mistero dell’energia oscura. Paesi Polonia
