Le equazioni di Einstein si scontrano con i misteri dell’Universo

Perché l’espansione del nostro Universo sta accelerando? Venticinque anni dopo la sua scoperta, questo fenomeno rimane uno dei più grandi misteri scientifici di oggi. Per superarlo è necessario testare le leggi fondamentali della fisica, inclusa la relatività generale di Albert Einstein.

Secondo la teoria di Einstein, il nostro Universo si deforma sotto l’influenza della materia che vi si trova, un po’ come un grande foglio flessibile. Queste deformazioni, causate dalla gravità dei corpi celesti, sono chiamate “pozzi gravitazionali”. Quando la luce attraversa questa cornice fatta di irregolarità, la sua traiettoria viene deviata da questi pozzetti, come sotto l’effetto di una lente di vetro.

Ma qui è la gravità e non il vetro a piegare la luce. Questo è ciò che chiamiamo effetto “lente gravitazionale” (spiegazioni video). L’osservazione di questo effetto fornisce informazioni sui componenti, sulla storia e sull’espansione dell’Universo. La sua prima misurazione, nel 1919, durante un’eclissi solare, confermò la teoria di Einstein, che prevedeva una deviazione della luce doppia rispetto a quella di Isaac Newton.

Questa differenza si spiega con l’aggiunta di un nuovo “ingrediente” da parte di Einstein: la distorsione del tempo, oltre alla distorsione dello spazio, per ottenere l’esatta curvatura della luce.

Ma ai confini dell’Universo, queste equazioni funzionano? Questa è la domanda che si pongono molti scienziati che cercano di quantificare la densità della materia nel cosmo e comprendere l’accelerazione della sua espansione. Grazie a un utilizzo senza precedenti dei dati del Dark Energy Survey (un programma internazionale per registrare la forma di centinaia di milioni di galassie), un team delle università di Ginevra (UNIGE) e Tolosa III–Paul Sabatier fornisce nuove risposte in “NatureCommunications .”

“Fino ad ora, i dati del Dark Energy Survey venivano utilizzati per misurare la distribuzione della materia nell’Universo. Nel nostro studio, li abbiamo usati per misurare direttamente la distorsione del tempo e dello spazio, e quindi confrontare i nostri risultati con le previsioni di Einstein», spiega Camille Bonvin, professore associato presso il Dipartimento di Fisica Teorica della Facoltà di Scienze dell’UNIGE, che lo dirige questo lavoro.

I dati del Dark Energy Survey consentono di guardare molto lontano nello spazio, e quindi molto lontano nel passato. L’equipe franco-svizzera ha così potuto effettuare analisi su 100 milioni di galassie, in quattro momenti diversi della storia dell’Universo: 3,5, 5, 6 e 7 miliardi di anni fa. Queste misurazioni hanno permesso di sapere come sono cresciuti i pozzi gravitazionali nel tempo, in un periodo che copre più della metà della storia del cosmo.

“Abbiamo scoperto che, molto lontano nel passato, 6 e 7 miliardi di anni fa, la profondità dei pozzi è del tutto coerente con le previsioni di Einstein. D’altra parte, nel periodo più vicino a oggi, 3,5 e 5 miliardi di anni fa, sono un po’ meno profondi di quanto previsto da Einstein», rivela Isaac Tutusaus, assistente astronomo presso l’Istituto di ricerca di astrofisica e planetologia di Tolosa, primo autore dello studio. Fu anche in questo stesso periodo “vicino” a oggi che l’espansione dell’Universo cominciò ad accelerare.

È quindi possibile che la risposta a questi due strani fenomeni (l’accelerazione dell’Universo e la crescita più lenta dei pozzi gravitazionali) sia la stessa: la gravitazione potrebbe rispondere, su larga scala, a leggi fisiche diverse da quelle dell’Einstein. Abbastanza per invalidare Einstein?

“I nostri risultati mostrano che le previsioni di Einstein hanno un’incoerenza di 3 sigma con le misurazioni. Nel linguaggio della fisica, una tale soglia di incompatibilità suscita il nostro interesse e richiede ulteriori indagini.

Ma questa incompatibilità non è abbastanza grande, allo stato attuale, per confutare la teoria di Einstein. Per questo sarebbe necessario raggiungere una soglia di 5 sigma (Se otteniamo un risultato con una significatività statistica pari a cinque sigma, ciò significa che è quasi certo che la differenza osservata è dovuta ad un fenomeno nuovo e non ad una fluttuazione statistica, ndr). È quindi essenziale disporre di misurazioni più precise per confermare o smentire questi primi risultati, e sapere se questa teoria rimane valida nel nostro universo, a distanze molto grandi», sottolinea Nastassia Grimm, ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica Teorica di UNIGE, coautore dello studio.

Il team si sta preparando ad analizzare i nuovi dati del telescopio spaziale Euclid, lanciato un anno fa. Osservando l’Universo dallo spazio, le misurazioni della lente gravitazionale sono molto più precise. Inoltre, Euclid osserverà un numero fenomenale di galassie: circa un miliardo e mezzo dopo sei anni di osservazione. Ciò consentirà di misurare meglio le distorsioni spazio-temporali, di tornare ancora più indietro nel tempo e di testare ulteriormente le equazioni di Einstein.