L’energia oscura potrebbe essere responsabile dell’espansione accelerata dell’universo.

I matematici stanno mettendo in discussione l’idea che l’energia oscura sia responsabile dell’espansione accelerata dell’universo. In un nuovo articolo pubblicato su Proceedings of the Royal Society A , i matematici dell’Università della California, Davis, forniscono una dimostrazione matematica del fatto che le instabilità intrinseche alle equazioni di Einstein-Euler implicano che l’attuale modello di espansione dell’universo non sia valido.

Le equazioni di Einstein-Euler sono una combinazione di equazioni della relatività generale e della fluidodinamica, utilizzate per modellare fenomeni astronomici come galassie, buchi neri ed espansione cosmica.

La ricerca mette direttamente in discussione il modello Lambda-materia oscura fredda , il modello cosmologico standard del Big Bang.

Blake Temple, illustre professore emerito di matematica presso l’UC Davis e autore corrispondente dello studio, ha paragonato il modello cosmologico standard a una matita appoggiata sulla punta.

“Quando una matita è in posizione verticale, tutte le forze sono in equilibrio, quindi si tratta di una ‘soluzione delle equazioni'”, ha affermato. “Ma è instabile. Basta un soffio d’aria e cade.”

Secondo Temple, i calcoli matematici dimostrano che gli spaziotempo di Friedmann, ovvero i modelli matematici che governano l’espansione cosmica, sono instabili sia su piccola che su grande scala al momento del Big Bang, rendendolo la soluzione più instabile di tutte.

“Le soluzioni instabili in fisica e nelle scienze sono considerate non fisiche”, ha affermato Temple. “Non le osserverete mai in natura.”

Temple ha osservato che questa instabilità suggerisce una spiegazione più semplice, basata interamente sulla teoria originale di Einstein.

“L’instabilità di tutti gli spaziotempo di Friedmann rispetto all’espansione accelerata suggerisce una spiegazione più semplice e naturale per l’accelerazione dell’universo rispetto all’energia oscura”, ha affermato.

Spiegare l’espansione accelerata dell’universo

Quasi 30 anni fa, l’energia oscura fu proposta come la forza responsabile dell’espansione accelerata dell’universo.

L’idea si rifà alle equazioni originali di Albert Einstein del 1915, che descrivevano la gravità nella teoria della relatività generale. Per produrre un universo statico, Einstein introdusse inizialmente un fattore antigravitazionale nella sua teoria. Chiamò questo fattore “costante cosmologica”.

Dopo che Edwin Hubble scoprì che l’universo era in espansione nel 1929, Einstein definì la costante cosmologica il suo “più grande errore”, perché senza di essa avrebbe potuto prevedere l’espansione.

Tuttavia, la costante cosmologica, e l’idea che sia intercambiabile con l’energia oscura, è stata reintrodotta negli anni ’90 per spiegare l’espansione accelerata dell’universo. I modelli cosmologici standard si basano su quello che viene chiamato “universo di Friedmann”, che descrive tutta la materia come in espansione ma distribuita uniformemente nello spazio in ogni istante di tempo fisso.

Ma i conti non tornavano per Temple e i suoi colleghi, che si misero quindi alla ricerca di spiegazioni alternative per l’espansione accelerata dell’universo.

“La nostra prima ipotesi era che l’universo si stesse espandendo a causa di un’onda d’urto, e che l’accelerazione anomala fosse l’onda di espansione successiva a quell’onda d’urto”, ha affermato Temple. “Poi ci siamo resi conto che esiste una famiglia di soluzioni autosimili durante l’epoca delle radiazioni del Big Bang, che potrebbero modellare quell’onda di espansione.”

Le equazioni autosimili descrivono fenomeni fisici che mantengono uno schema o una struttura, indipendentemente dalla loro scala.

Nel presente articolo, i matematici utilizzano una versione autosimile delle equazioni di Einstein, da loro derivata in lavori precedenti, per rappresentare il modello standard della cosmologia come punto di equilibrio delle equazioni. Ciò fornisce il quadro di riferimento per una caratterizzazione matematica completa della stabilità del modello standard e, più in generale, della stabilità di tutti gli spaziotempo di Friedmann durante l’epoca dominata dalla materia del Big Bang.

“Dimostriamo che, come il modello statico di Einstein, gli spaziotempo di Friedmann sono tutti instabili alle perturbazioni radiali su grandi scale di lunghezza”, ha affermato Temple. “Questo sembra escludere il modello di materia oscura fredda Lambda come soluzione stabile e valida delle equazioni di Einstein della relatività generale, con o senza energia oscura.”

“Questo significa”, aggiunse, “che il Big Bang dovrebbe genericamente assomigliare esattamente a uno spaziotempo di Friedmann vicino al centro di simmetria, ma genericamente si dovrebbero osservare accelerazioni che si discostano da quelle di Friedmann lontano dal centro.”

Ripensare il principio copernicano?

Temple e i suoi colleghi hanno scoperto che l’espansione accelerata dell’universo è una conseguenza diretta delle equazioni di Einstein-Eulero, senza la necessità di introdurre una costante cosmologica o energia oscura.

Questi calcoli mettono in discussione anche il principio copernicano, ovvero l’idea che la posizione della Terra non occupi un posto speciale nell’universo.

“Sia il modello della materia oscura fredda Lambda che uno spaziotempo a simmetria sferica producono un luogo speciale in cui dobbiamo trovarci affinché il modello sia fisicamente plausibile”, ha affermato Temple. “Se questo principio esclude uno, deve escludere anche l’altro.”

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