Comprendere la gravità è stata una sfida per i fisici per secoli. I primi passi nella comprensione di questa interazione fondamentale furono compiuti da Isaac Newton e sviluppati da Albert Einstein secoli dopo. La relatività generale di Albert Einstein è la teoria che sta alla base della migliore spiegazione della natura della gravità. Einstein descrisse la gravità come la curvatura dello spazio-tempo causata dalla presenza di massa ed energia.
Nonostante il successo della relatività generale su piccola scala, si pone ancora la questione se questa teoria possa descrivere scale cosmologiche. Questi includono principalmente i concetti di energia oscura e materia oscura, che insieme costituiscono il 95% dell’Universo. La natura di questi due elementi è ancora sconosciuta e alcuni astrofisici si chiedono se il problema non risieda negli attuali modelli che descrivono l’Universo, compresa la relatività generale.
Una delle domande principali è se la relatività generale funziona su scala cosmologica e diversi progetti mirano a rispondere a questa domanda. Recentemente sono stati pubblicati nuovi risultati dello strumento spettroscopico dell’energia oscura (DESI). Spiccano due risultati importanti, uno dei quali è la conferma delle previsioni della relatività generale su larga scala e un limite alla massa dei neutrini.
Cos’è la gravità?
La gravità è una delle quattro interazioni fondamentali in natura. Questa interazione ha un comportamento attrattivo, cioè è responsabile dell’attrazione reciproca di oggetti di massa. È l’interazione dominante su scala galattica ed è ciò che ci tiene attaccati alla superficie terrestre. Anche il sistema solare è dominato dalla gravità e i pianeti orbitano attorno al Sole grazie a questa interazione.
Isaac Newton descrisse la gravità nella sua legge di gravitazione universale, in cui si afferma che la forza tra due corpi è proporzionale alla loro massa e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro.
Oggi, la descrizione più generale della gravità è la teoria della relatività generale, proposta da Albert Einstein. Secondo Einstein, la gravità è di natura geometrica, con corpi massicci che distorcono lo spazio-tempo. Tuttavia, la gravità rimane una questione aperta, in particolare per quanto riguarda la sua unione con altre interazioni. Inoltre, la gravità sembra essere l’unica interazione senza una particella mediatrice.
Relatività generale
La relatività generale fu proposta da Albert Einstein nel 1915 ed è la continuazione del suo lavoro del 1908, durante il quale presentò la relatività speciale. Mentre la relatività speciale riguardava lo spaziotempo piatto, la relatività generale si estendeva a situazioni in cui lo spaziotempo è curvo. Einstein dimostrò che la distribuzione di massa ed energia in una data regione è responsabile della curvatura dello spazio-tempo.
Questa curvatura sarebbe il fenomeno che conosciamo come gravità, cioè siamo attaccati alla superficie terrestre perché la massa terrestre distorce lo spazio-tempo. La teoria di Einstein fu confermata quattro anni dopo dall’osservazione di un’eclissi. Inoltre, la relatività generale ha consentito la scoperta di oggetti come i buchi neri, nonché una descrizione cosmologica della struttura dell’Universo.
I misteri dell’Universo
La materia oscura e l’energia oscura sono considerati uno dei più grandi misteri dell’universo. Nonostante i nomi simili, sono concetti diversi con comportamenti completamente diversi. La materia oscura è una forma sconosciuta di materia che non interagisce in alcun modo se non attraverso la gravitazione. L’energia oscura, dal canto suo, è la causa dell’espansione accelerata dell’universo, agendo in direzione opposta alla gravità.
Sebbene la relatività generale descriva come agisce la gravità su larga scala, non spiega completamente la natura della materia oscura e dell’energia oscura. Alcune teorie alternative, come la gravità modificata, tentano di spiegare la materia oscura e l’energia oscura. Tuttavia, fino ad oggi, nessun modello è riuscito ad affermarsi, ma la relatività generale ha recentemente guadagnato un nuovo punto nella spiegazione dell’Universo su larga scala.
DESI
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) è un progetto progettato per mappare la struttura dell’universo in tre dimensioni e rispondere a domande sull’energia oscura. È stato installato sul telescopio Mayall presso l’Osservatorio nazionale di Kitt Peak negli Stati Uniti. DESI dispone di 5.000 fibre ottiche che consentono di osservare simultaneamente diversi oggetti come galassie e quasar.
La fisica dietro DESI si basa sull’effetto chiamato redshift, dove l’allungamento della lunghezza d’onda della luce proveniente da oggetti distanti indica la loro velocità e distanza dalla Terra. Misurando lo spostamento verso il rosso di milioni di galassie, DESI è in grado di mappare la distribuzione 3D dell’universo e identificare determinati ammassi. Studiando queste osservazioni è possibile comprendere come agisce la materia oscura sugli ammassi e come agisce l’energia oscura sull’espansione dell’Universo.
Risultati dello studio DESI
Con circa 6 milioni di galassie e quasar osservate, è possibile studiare l’evoluzione dell’Universo a partire da circa 3 miliardi di anni dopo il Big Bang. Queste osservazioni sono in accordo con le previsioni della relatività generale, anche su scala cosmologica. Il tasso di formazione e la distribuzione delle galassie sono coerenti con le previsioni dei modelli che includono la relatività generale.
Inoltre, i risultati DESI aggiornati includono anche uno studio su particelle chiamate neutrini, note come “particelle fantasma”. I neutrini sono particelle molto leggere che a lungo si pensava non avessero massa. Tuttavia, gli esperimenti hanno permesso di determinare la massa dei neutrini e di fissare un limite inferiore. Il DESI ha trovato una stima del limite superiore della massa del neutrino.
Riferimento articolo:
Collaborazione DESI et al. DESI 2024 V: Clustering di galassie a forma intera da galassie e quasar arXiv
