RIDUCE LA “TENSIONE” SULLA COSTANTE DI HUBBLE MA NE INTRODUCE UN’ALTRA

Energia oscura primordiale? Se c’era, era poca

Un team di cosmologi ha ricostruito la storia dell’energia oscura attraverso la cronologia dell’universo usando una varietà di dati recenti, dalla radiazione di fondo alle supernove, dimostrando che questa componente, oggi dominante, era presente al più in quantità modeste durante le prime fasi del cosmo. Secondo questo studio, una simile ‘early dark energy’ non risolve del tutto le tensioni tra modello cosmologico standard e osservazioni. Ne parliamo con una delle autrici, Valeria Pettorino del Cea di Parigi

     03/12/2021
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Rappresentazione artistica dell’espansione dell’universo nel corso della sua storia. Crediti: Naoj

Ne ha fatta di strada la cosmologia nell’ultimo secolo. Se nei ruggenti anni Venti gli astronomi si dibattevano sulle dimensioni della nostra galassia e dell’intero universo – la natura delle galassie al di là della Via Lattea fu chiarita solo nel 1925 grazie alle osservazioni di Edwin Hubble, a cui è attribuita anche la scoperta dell’espansione cosmica nel 1929 – cinquant’anni dopo molti sforzi si concentravano ancora sulla misura di due numeri: il tasso di espansione dell’universo e la sua decelerazione. Poi sono arrivate la materia oscura, la rivelazione dell’espansione accelerata e con essa l’energia oscura che ne sarebbe la causa, tre generazioni di satelliti che hanno scandagliato la radiazione cosmica di fondo e molteplici survey di galassie vicine e lontane per cercare di condensare l’origine ed evoluzione dell’universo in una manciata di numeri: i sei parametri del modello standard della cosmologia. Modello che, per quanto vada per la maggiore, continua ad soffrire di alcuni problemi aperti che tengono impegnati i ricercatori ancora oggi.

Una delle spine più recenti nel fianco del modello standard riguarda proprio il tasso di espansione dell’universo, la famigerata costante di Hubble. Da decenni si cerca di determinarne il valore, eppure le stime più precise disponibili – l’una basata sulle osservazioni della radiazione cosmica di fondo del satellite Planck, l’altra sulle supernove di tipo Ia e altri indicatori usati per misurare le distanze nell’universo locale – discordano a livello statisticamente significativo, dando origine a una “tensione” irrisolta da diversi anni. Tra le varie soluzioni proposte per alleviarla, un team guidato dal cosmologo francese Vivian Poulin aveva rispolverato, un paio di anni fa, il concetto di early dark energy: una componente di energia oscura primordiale che non solo è dominante oggi, quasi 14 miliardi dopo il Big Bang, contribuendo intorno al 70 per cento dell’inventario cosmico e ad accelerare l’espansione dell’universo, ma che è stata rilevante anche in altre ere, agli albori del cosmo. Con la possibilità di risolvere il problema della tensione sulla costante di Hubble, il lavoro, apparso su Physical Review Letters nel 2019, aveva ridestato interesse nella comunità verso questo modello di energia oscura sviluppato dal fisico teorico tedesco Michael Doran, pubblicato per la prima volta nel 2006. Una nuova analisi dei ricercatori Adrià Gómez-Valent, Ziyang Zheng, Luca Amendola e Christof Wetterich dell’Università di Heidelberg, in Germania, e Valeria Pettorino del Dipartimento di astrofisica del Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Cea) francese, sembra però non supportare questa ipotesi: secondo i nuovi risultati di questo team, pubblicati a fine ottobre sulla rivista Physical Review D, nemmeno la early dark energy sarebbe in grado di risolvere questa particolare discrepanza, a meno di non introdurne un’altra sulla distribuzione delle strutture cosmiche su grande scala.

Valeria Pettorino, originaria di Napoli, oggi ricercatrice al Dipartimento di astrofisica del Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Cea) in Francia.

Per saperne di più, Media Inaf ha raggiunto a Parigi una delle co-autrici del nuovo lavoro, la napoletana Valeria Pettorino. Dopo laurea e dottorato in fisica all’Università Federico II di Napoli, ha lavorato in Germania, Italia, Stati Uniti e Svizzera prima di assumere, nel 2016, la sua attuale posizione di ricercatrice presso il laboratorio CosmoStat del centro Cea di Paris-Saclay, in Francia. Membro delle collaborazioni scientifiche delle missioni Planck e Euclid dell’Agenzia spaziale europea, nel suo lavoro di ricerca si occupa di confrontare le teorie cosmologiche e le osservazioni, e fa anche parte del direttivo della Supernova Foundation for Women in Physics, un programma internazionale di mentoring che mette in contatto donne che hanno studiato fisica o sono interessate a seguire questo percorso.

Può spiegarci meglio cos’è la early dark energy?

«La early dark energy prevede la possibilità che l’energia oscura sia presente anche in diverse epoche del passato, mentre nel modello standard la densità della costante cosmologica [il modello più semplice di energia oscura; ndr] è dello stesso ordine di grandezza della densità di materia oggi ma è stata completamente trascurabile in passato e sarà completamente dominante in futuro. Già da tempo ci si chiede se in realtà l’accelerazione dell’universo possa essere legata a una energia oscura “dinamica” che, a differenza di una costante, sia cambiata nel tempo. In maniera fenomenologica, si può cercare di capire quanta energia oscura possiamo avere in epoche diverse: se effettivamente è stata completamente trascurabile, allora si torna al modello di costante cosmologica, se invece c’è la possibilità di avere energia oscura anche in passato allora ci sono altri scenari teorici che poi eventualmente si aprono».

Nel vostro nuovo studio avete provato a fare proprio questo: calcolare quanta energia oscura era presente nelle epoche cosmiche passate, sulla base dei dati più recenti. Quanta ne avete trovata?

«Dipende un po’ da cosa si considera: includendo tutti i dati che avevamo a disposizione, la frazione di energia oscura deve essere stata meno di circa 2,6 per cento nella fase dominata dalla radiazione, cioè circa i primi 47mila anni dopo il Big Bang, e meno di 1,5 per cento nel periodo che va da 380mila anni dopo il Big Bang, l’epoca che chiamiamo di decoupling, quando la radiazione si è separata dalla materia, fino a quando l’universo aveva circa 16 milioni di anni. È proprio il periodo del decoupling, a cui risale la radiazione cosmica di fondo, che dà i vincoli maggiori: non più di 0,4 per cento durante il decoupling. Abbiamo anche mostrato, aggiungendo ciascun set di dati uno alla volta, in che modo questi vincoli cambiano».

Le anisotropie del fondo cosmico a microonde osservate da Planck. Crediti: Esa and the Planck Collaboration

Quantità modeste, dunque. Che cosa significa questo per i modelli cosmologici?

«Insieme a Luca Amendola e Christof Wetterich avevamo confrontato vari modelli di early dark energy nel 2013, usando i dati disponibili allora. In questo nuovo lavoro, non solo abbiamo aggiornato i dati e quindi i vincoli sulla quantità di energia oscura nelle diverse epoche, ma abbiamo anche generalizzato come studiare la early dark energy in due modi. Da un lato proponiamo una parametrizzazione che include un po’ tutte quelle che erano state utilizzate in passato, dall’altro, in maniera ancor più generale, abbiamo effettuato una tomografia su una serie di intervalli di tempo, a ritroso nella storia dell’universo, per capire in ciascun intervallo quanta early dark energy poteva esserci in base ai dati disponibili, e quindi ricostruire l’intera storia dell’energia oscura dall’epoca anche precedente al rilascio della radiazione cosmica di fondo fino a oggi. Al momento, quello che mostriamo è che se ne può avere molto poca anche in passato, quindi ancora una volta il modello di costante cosmologica resiste».

Cosa succede invece alla costante di Hubble: si risolve la tensione oppure no?

«No, non si riesce a risolvere interamente la questione della tensione, almeno per quanto riguarda la costante di Hubble. Riusciamo a riprodurre i risultati dei precedenti lavori, in cui se si aggiunge un po’ di energia oscura nella fase dominata dalla radiazione, si riduce effettivamente la tensione sulla costante di Hubble. Ma c’è un problema: questo necessita di una quantità di materia oscura troppo grande, quindi delle perturbazioni troppo grandi e un aumento della formazione di strutture troppo grande, il che fa aumentare la tensione su un altro parametro che descrive l’ampiezza delle fluttuazioni nella distribuzione della materia oscura, che chiamiamo “sigma 8”. Quindi sì, da un lato la early dark energy compensa la tensione sul tasso di espansione, ma dall’altro peggiora un altro tipo di tensione».

Quindi siamo punto e a capo?

«È difficile che la early dark energy da sola possa completamente rimuovere entrambe le tensioni, sia quella sulla costante di Hubble che quella su sigma 8, a meno di non ricorrere a delle soluzioni estremamente particolari… però a quel punto va bene anche il modello standard! Il nostro lavoro resta un riferimento per capire quali sono i margini per avere energia oscura a epoche differenti secondo i dati attuali e in che modo i vari set di dati possono avere effetto sulle tensioni. Poi ci sono altre possibilità: innanzitutto le tensioni potrebbero essere dovute anche a problemi nei dati, se ci fossero per esempio effetti sistematici ancora non considerati. Un’altra possibilità è legata alla velocità del suono dell’energia oscura».

Aspetti un attimo… cos’è la velocità del suono dell’energia oscura?

«A ogni fluido, possiamo associare una velocità del suono con cui una perturbazione si propaga nel fluido. Non sappiamo come si comporta l’energia oscura, l’abbiamo considerata finora come un fluido omogeneo, a cui corrisponde un valore della velocità del suono pari a uno (cioè pari alla velocità della luce). All’altro estremo c’è la materia oscura, che invece dà luogo a perturbazioni ed è caratterizzata da una velocità del suono delle particelle uguale a zero. Al momento trattiamo la materia oscura e l’energia oscura come se fossero due fluidi che dal punto di vista del background sono completamente uguali ma che a livello di perturbazioni si comportano in maniera diversa. Se questa cosa non fosse vera, cioè se l’energia oscura avesse una velocità del suono più vicina a zero e contribuisse alla crescita delle strutture, i due fluidi inizierebbero a diventare sempre più indistinguibili: in questo lavoro abbiamo mostrato che, in questo caso, i vincoli sulla quantità di energia oscura nel passato diventano meno stringenti».

Un piccolo insieme (circa il 3 percento) delle galassie mappate dalla survey Boss. Crediti: Daniel Eisenstein e Sdss-III

Torniamo invece ai dati: che osservazioni avete utilizzato?

«Principalmente i dati del satellite Planck sulla radiazione cosmica di fondo, perché come dicevo la maggior parte dei vincoli viene dall’epoca del decoupling. Poi abbiamo usato anche i dati delle supernove della Pantheon compilation, la misura della magnitudine assoluta delle supernove fatta dalla collaborazione Sh0es di Adam Riess (che è nota essere in tensione con Planck sulla costante di Hubble); abbiamo considerato anche le survey più recenti di lensing gravitazionale (KidsDes) e oscillazioni barioniche acustiche (6dfgs, eBoss, Des, WiggleZ). Abbiamo analizzato l’effetto dei singoli set di dati separatamente, e in differenti combinazioni, per essere in grado di valutare meglio quale set di dati dà quali vincoli».

Sembra proprio che la saga dell’energia oscura primordiale stia volgendo al termine… o forse dobbiamo aspettarci nuovi sviluppi in futuro?

«Sicuramente il percorso della early dark energy si fa più difficile, ma sarà interessante vedere come potrà essere risolta la tensione attuale tra esperimenti diversi. Noi non abbiamo usato gli ultimi dati dell’Atacama Cosmology Telescope (Act), che osserva la radiazione cosmica di fondo da terra, quindi su scale molto più piccole rispetto a quelle di Planck ma con maggiore risoluzione. Un recente lavoro della collaborazione Act sembra lasciare un po’ più di margine alla possibilità di avere early dark energy. Bisogna ancora capire bene gli effetti sistematici su questi esperimenti, ma effettivamente l’informazione su queste scale relativamente piccole è molto sensibile alla presenza di energia oscura durante la formazione delle strutture cosmiche. Allo stesso tempo, esperimenti spaziali come Euclid studieranno l’evoluzione delle galassie, e dei cluster di galassie, combinando più osservazioni: questa missione ci potrà dare informazioni su quanta energia oscura c’era all’epoca, e la cross-correlazione di questi dati potrà dirci molto sia sulla natura dell’energia oscura che su quanta ce ne sia stata in passato».


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