I matematici stanno sollevando una sfida senza precedenti a una delle spiegazioni più accettate della cosmologia moderna, mettendo in forte dubbio l’idea che un’energia misteriosa stia guidando l’espansione accelerata dell’universo. Uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Proceedings of the Royal Society A presenta scoperte matematiche che rivelano una potenziale instabilità di fondo nel modello standard del cosmo in espansione. I calcoli dei ricercatori dell’Università della California a Davis indicano che l’accelerazione cosmica potrebbe emergere in modo del tutto naturale dalle equazioni di Einstein, eliminando potenzialmente la necessità di invocare la cosiddetta energia oscura per spiegare i movimenti nello Spazio profondo.
Un equilibrio instabile e il modello cosmologico
Per spiegare il problema alla base del modello cosmologico standard, noto come Lambda-CDM, gli scienziati offrono un paragone molto semplice, accostandolo a una matita in equilibrio verticale sulla sua punta. Tutte le forze sono perfettamente bilanciate in quella specifica posizione e rappresentano una soluzione matematica, tuttavia l’equilibrio risulta estremamente precario e un minimo soffio d’aria fa crollare tutto. L’analisi matematica del team dimostra che gli spazitempi di Friedmann, i quali costituiscono la base dei modelli convenzionali di espansione cosmica, risultano instabili sia su piccola che su grande scala nel contesto del Big Bang. Le soluzioni instabili in fisica sono considerate non fisiche, poiché impossibili da osservare in natura. Se l’universo si evolve allontanandosi dal comportamento previsto da questi modelli convenzionali, la sua espansione accelerata potrebbe non richiedere una forma di energia separata per essere spiegata, in quanto la risposta potrebbe essere già contenuta all’interno della teoria originale della gravità.
Il ruolo della costante cosmologica
Per quasi 3 decenni l’energia oscura è stata la spiegazione principale per la scoperta più sconcertante dell’astronomia, ovvero il fatto che l’universo non si sta semplicemente espandendo, ma lo sta facendo in modo accelerato. Il concetto affonda le sue radici nella teoria della relatività generale del 1915, in cui Einstein credeva originariamente che il cosmo fosse statico. Per rendere le sue equazioni compatibili con tale ipotesi, introdusse un termine matematico che contrastava la gravità, chiamandolo costante cosmologica. Quell’ipotesi cambiò radicalmente dopo che Edwin Hubble scoprì nel 1929 le prove dell’espansione dell’universo. Einstein definì l’introduzione della costante cosmologica il suo più grande errore, dato che le sue equazioni originali avrebbero potuto prevedere un cosmo in espansione. La costante cosmologica è tornata alla ribalta per la 1ª volta negli anni ’90, quando gli astronomi hanno scoperto l’accelerazione in corso, venendo strettamente associata all’energia oscura.
Onde d’urto e nuove prospettive nello Spazio
I ricercatori hanno inizialmente valutato se una massiccia onda d’urto potesse aiutare a spiegare l’espansione dell’universo e l’accelerazione anomala a essa associata. Il team ha ipotizzato che l’universo si stesse espandendo a causa di un’onda d’urto e che l’accelerazione anomala fosse l’onda in espansione dietro di essa. Gli esperti hanno poi compreso che esiste una famiglia di soluzioni matematiche durante l’epoca della radiazione del Big Bang che potrebbe modellare quell’onda in espansione. I risultati suggeriscono che le descrizioni matematiche convenzionali dell’universo in espansione sono vulnerabili a disturbi che crescono anziché svanire nel tempo. I ricercatori dimostrano che gli spazitempi di Friedmann sono tutti instabili alle perturbazioni radiali su grandi scale di lunghezza. Questo sembra escludere il modello Lambda-CDM come soluzione stabile praticabile delle equazioni di Einstein della relatività generale, con o senza energia oscura. In prossimità del centro di simmetria tutto sembra combaciare con le previsioni standard, mentre allontanandosi si dovrebbero osservare delle evidenti variazioni.
Il principio copernicano è ancora valido?
Oltre alla questione dell’energia oscura, lo studio solleva un problema ancora più profondo che coinvolge il principio copernicano. Questo principio sostiene che la nostra posizione nell’universo non è fondamentalmente speciale o privilegiata, un presupposto diventato parte essenziale della cosmologia moderna. Il quadro matematico alternativo proposto dai ricercatori introduce un centro di simmetria sferica, sollevando seri interrogativi su dove dovrebbe trovarsi un osservatore affinché il modello concordi con le osservazioni. Sia il modello Lambda-CDM che uno spaziotempo a simmetria sferica producono un luogo speciale in cui ci si deve trovare affinché il modello risulti fisicamente plausibile. Il lavoro apre una via alternativa per indagare sul perché l’espansione dell’universo stia accelerando e indica che la matematica della relatività generale potrebbe offrire una spiegazione diversa per lo stesso fenomeno, portando in futuro a una drastica rivalutazione delle fondamenta matematiche dell’intero cosmo.