SIMULAZIONI DIMOSTRANO UNA TEORIA “CAMALEONTE”

Cerco un centro di gravità modificata

Secondo una ricerca dell’Università di Durham pubblicata su Nature Astronomy, alla quale ha partecipato l’italiano Matteo Leo, anche cambiando un ingrediente fondamentale come la gravità - così come prevista dalla relatività generale - con uno decisamente più esotico, che agisce in modo disuniforme, si può ottenere esattamente lo stesso tipo di galassia. Con un vantaggio: non occorre aggiungere energia oscura

L’immagine mostra nella metà di destra, in colore rosso-blu, la densità del gas all’interno del disco della galassia con le stelle mostrate come puntini luminosi. Il lato sinistro dell’immagine mostra le modifiche di forza nel gas all’interno del disco, dove le regioni centrali scure corrispondono a forze standard della relatività generale, mentre le forze e le regioni in giallo brillante corrispondono a forze modificate secondo la Teoria camaleonte. Le immagini mostrano viste della galassia simulata dall’alto e di lato. Crediti: C. Arnold/B. Li/Durham University

Per risolvere il mistero dell’energia oscura sono state sviluppate negli ultimi decenni diverse teorie, tra cui alcune denominate “camaleonte”, perché propongono un modello alternativo di gravità, con interazione mutevole a seconda delle condizioni esterne. Per esempio, una quinta forza che agisca sulla materia in maniera non lineare, come invece fa la gravità convenzionale. Un “trucchetto” che, tra l’altro, spiegherebbe l’origine dell’energia oscura.

Un nuovo studio, appena uscito su Nature Astronomy a firma di tre ricercatori dell’Università di Durham (Uk), ha calcolato che una specifica Teoria camaleonte – la cosiddetta Teoria f(R) secondo il modello Hu-Sawicki – può essere un’alternativa valida alla Teoria generale della relatività.

Da precedenti calcoli, si sapeva già che la Teoria camaleonte può riprodurre perfettamente gli effetti previsti dalla relatività generale su dimensioni paragonabili a quelle del Sistema solare. Il gruppo di Durham ha utilizzato IllustrisTng, la dettagliatissima simulazioni del cosmo di cui abbiamo recentemente parlato su Media Inaf, per dimostrare che gli assunti della Teoria camaleonte permettono di generare nelle simulazioni galassie realistiche, del tutto simili a quelle realmente osservabili.

In altre parole, le immagini prodotte dalla simulazione mostrano che galassie come la nostra Via Lattea potrebbero formarsi tali e quali anche con differenti leggi di gravità.

Non solo: gli autori del nuovo studio hanno anche dimostrato come gli effetti della Teoria camaleonte possano essere distinti dalla relatività generale su scale cosmologiche molto grandi. Questo significa che possono essere progettate delle osservazioni per verificare direttamente la consistenza di queste congetture, un punto che finora era carente.

I ricercatori hanno esaminato in particolare nella Teoria camaleonte l’interazione tra gravità e buchi neri supermassicci che risiedono al centro delle galassie. Questi ultimi giocano un ruolo chiave nella formazione delle galassie, poiché il calore e il materiale che espellono quando ingoiano materia circostante possono distruggere il gas necessario per formare le stelle, interrompendo la formazione stellare. La quantità di calore espulso dai buchi neri risulta alterata modificando la gravità, un fattore che influenza il modo in cui si formano le galassie. Tuttavia, le nuove simulazioni hanno mostrato che, anche tenendo conto del cambiamento di gravità causato dall’applicazione della Teoria camaleonte, le galassie erano ancora perfettamente in grado di formarsi.

Matteo Leo, Durham University

«Prima di tutto, è opportuno chiarire che è difficile confermare teorie alternative alla Teoria della relatività generale di Einstein, poiché quest’ultima continua ad avere un grande successo nel riprodurre osservazioni sperimentali», commenta a Media Inaf uno degli autori, il ricercatore italiano all’Università di Durham Matteo Leo, che ha partecipato a questa ricerca durante il conseguimento del dottorato in fisica nella stessa università. «Tale successo non verrebbe compromesso nel caso in cui “teorie f(R) con meccanismo camaleonte” (o molte altre teorie simili) fossero confermate. Questo poiché tali teorie sono un’estensione della teoria della relatività generale, che introducono nuovi aspetti in quest’ultima e ne modificano alcuni comportamenti».

Gli autori del nuovo studio ritengono che le loro scoperte potrebbero essere rappresentare anche un piccolo passo verso la spiegazione delle proprietà dell’energia oscura, la cui esistenza viene supposta per spiegare l’attuale accelerazione nell’espansione dell’universo, un fenomeno in contrasto con le previsioni della relatività generale.

«Se un’alternativa alla relatività generale verrà effettivamente confermata in futuro, questo molto probabilmente permetterà di risolvere uno dei più grandi quesiti della cosmologia e della fisica moderna: “perché l’espansione del nostro universo sta accelerando?”», aggiunge Leo. «Nel caso in cui esperimenti futuri escluderanno tali alternative, questo potrà comunque essere considerato un passo importante, poiché tali osservazioni saranno da considerarsi come test indipendenti della teoria di Einstein su scala cosmologica. Questi test sono tuttora scarsi, infatti la relatività generale è stata verificata accuratamente solo per strutture a scale molto inferiori di quelle cosmologiche».

I ricercatori di Durham si aspettano che i loro risultati possano essere verificati attraverso osservazioni con lo Square Kilometre Array (Ska), basato in Australia e Sud Africa, che inizierà a operare nel prossimo decennio. Ska sarà il più grande radiotelescopio al mondo e, tra i vari obbiettivi scientifici, metterà alla prova la teoria della relatività generale di Einstein indagando come si siano formate le prime stelle e galassie dopo il Big Bang e, sperabilmente, aiutando gli scienziati a capire la natura dell’energia oscura.

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