Le previsioni di Einstein sono state confermate in miliardi di anni di storia cosmica e milioni di galassie

Analizzando i dati del primo anno del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), che includeva quasi 6 milioni di galassie, un team internazionale di ricercatori ha confermato le previsioni di Einstein sulla gravità. Il modo in cui le galassie si sono raggruppate negli ultimi 11 miliardi di anni di storia dell’Universo suggerisce che la gravità si comporta esattamente come previsto dalla relatività generale, anche a grandi distanze cosmologiche.

Secondo la teoria della relatività generale, la gravità ha plasmato l’architettura dell’Universo contribuendo alla distribuzione della materia e all’agglomerazione della stessa per formare grandi strutture, come le galassie. Tuttavia, sebbene sia ben testato su scala di sistemi stellari, alcune osservazioni mettono in dubbio la sua validità su grandi distanze cosmologiche.

« La relatività generale è stata testata molto bene sulla scala dei sistemi solari, ma dovevamo anche verificare che la teoria funzioni su scale molto più grandi », spiega in un articolo sul blog del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Pauline Zarrouk, del Centro nazionale per la ricerca scientifica (CNRS).

Tra i fenomeni che mettono in dubbio le previsioni di Einstein c’è l’accelerazione dell’espansione dell’Universo. Scoperto nel 1998 da Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess, ha dato origine a due ipotesi che riguardano in particolare o l’esistenza dell’energia oscura che causa questa accelerazione, oppure una lacuna nella teoria della gravità di Einstein su larga scala cosmologica, che porta a varianti modificate di la teoria. Anche recenti misurazioni del Dark Energy Survey sembrano suggerire che la gravità agisca in modo diverso a diverse distanze cosmiche.

Zarrouk e i suoi colleghi hanno valutato la validità delle teorie modificate della gravità analizzando il primo anno di dati dello strumento DESI riguardanti il ​​modo in cui le galassie si raggruppano nel tempo. “ I dati che abbiamo raccolto con DESI ci permettono di misurare modelli sottili di raggruppamento di galassie. La cosa davvero interessante è che possiamo usare questi diagrammi non solo per misurare la velocità con cui l’Universo si sta espandendo, ma anche per testare la nostra comprensione della gravità stessa.
“, afferma in un comunicato stampa l’Università di Portsmouth Seshadri Nadathur, che ha co-diretto le nuove analisi. I risultati sono dettagliati in una serie di studi pre-pubblicazione sul server arXiv.

Le previsioni di Einstein sono state confermate per oltre 11 miliardi di anni

DESI è uno strumento di osservazione all’avanguardia installato sul Mayall Telescope in Arizona. Dispone di 5.000 sensori a fibra ottica in grado di catturare la luce proveniente da 5.000 galassie contemporaneamente. Il primo anno di dati dello strumento comprende quasi 6 milioni di galassie e quasar che coprono fino a 11 miliardi di anni nel passato dell’Universo. In un solo anno di osservazione, DESI ha raccolto 3 volte più dati di quanto sarebbe stato possibile con gli strumenti precedenti in 20 anni. Queste indagini hanno permesso di produrre la mappa tridimensionale dell’Universo più estesa e dettagliata fino ad oggi.

La mappatura ha permesso ai ricercatori di raccogliere misurazioni esatte della distribuzione delle galassie nell’Universo e dell’evoluzione della sua espansione sotto l’effetto della gravità nel tempo. Più precisamente, i team hanno misurato le oscillazioni acustiche barioniche (BAO), che riflettono il modo in cui le galassie si raggruppano. L’espansione dell’Universo allontana le galassie le une dalle altre, mentre la gravità attenua localmente questo allungamento raggruppandole. Variazioni della velocità di espansione permetterebbero quindi di valutare l’effetto della gravità su grandi distanze cosmiche.

I ricercatori hanno scoperto che, nell’arco di 11 miliardi di anni, il modo in cui le galassie si raggruppano è coerente con le previsioni di Einstein sulla gravità. Questi risultati confermerebbero quindi la validità della relatività generale a tutte le scale dell’Universo e imporrebbero un limite alle teorie alternative proposte per spiegare le inaspettate osservazioni legate alla sua espansione. Le osservazioni inaspettate includono l’espansione accelerata dell’Universo, un fenomeno non previsto dalle teorie classiche della gravità.

I dati DESI hanno anche mostrato che l’energia oscura non appare costante e cambia nel tempo. Ciò suggerisce che il modello cosmologico standard rimane incompleto e che probabilmente altri fenomeni fisici devono ancora essere scoperti.

Video di simulazione che mostra come la gravità influenza la posizione delle galassie che osserviamo, cambiando il modo in cui sono raggruppate su una mappa delle galassie (© Collaborazione tra Claire Lamman e Michael Rashkovetskyi/DESI)

Massa inferiore per i neutrini

I dati DESI hanno fornito anche nuove informazioni sui neutrini, le uniche particelle fondamentali le cui masse non sono state ancora misurate con precisione in laboratorio. Il limite superiore della massa combinata dei tre tipi di neutrini sarebbe inferiore a quanto ipotizzato in precedenza. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che questa massa dovrebbe essere almeno 0,059 eV/c². Per fare un confronto, un elettrone ha una massa di circa 511.000 eV/c². D’altra parte, le misurazioni DESI indicano una massa di 0,071 eV/c² per i neutrini.

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« Queste particelle elementari sono minuscole particelle di massa molto piccola, ma la forza di gravità che producono collettivamente influenza il modo in cui le galassie si muovono e si raggruppano nello spazio “, spiega Carlos Frenk dell’Università di Durham e membro del team DESI. “ Le dimensioni e la qualità senza precedenti del set di dati DESI hanno permesso di rilevare questo minuscolo effetto, che è molto entusiasmante per cosmologi e fisici delle particelle », aggiunge.

I ricercatori continuano ad analizzare i primi tre anni di dati DESI e prevedono di presentare un aggiornamento delle misurazioni dell’energia oscura entro il prossimo anno. Questi dati dovrebbero consentire di mappare circa 40 milioni di galassie e quasar.

Video a 360 gradi che mostra in modo interattivo milioni di galassie mappate utilizzando i dati DESI
(©Ccollaborazione Fiske Planetarium, CU Boulder e DESI)

Fonti: arXiv (1, 2, 3)