Relatività generale alla prova #2: l’energia oscura e il moto delle galassie

Negli ultimi cento anni, lo studio dell’universo e delle sue strutture – dalle galassie agli ammassi di galassie, fino alla monumentale “ragnatela cosmica”, che si estende per dimensioni decine di migliaia di volte superiori alla Via Lattea – ha fatto passi da gigante. Questo progresso ha portato alla definizione del modello cosmologico standard, il quale si basa, tra le altre cose, sulla teoria della relatività generale di Einstein. Questa teoria rappresenta la descrizione più precisa che abbiamo della forza di gravità, la forza che ha “assemblato” le strutture cosmiche.

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Grazie al modello cosmologico standard, siamo riusciti a spiegare con elevata accuratezza gran parte delle osservazioni cosmologiche. Tuttavia, per far tornare i conti, dobbiamo assumere l’esistenza di due misteriose componenti: la materia oscura e l’energia oscura, che insieme costituiscono circa il 95% del cosmo. Si tratta di un risultato sorprendente, perché queste entità non sono mai state osservate direttamente e vengono introdotte solo su scale estremamente grandi, dove la gravità è incredibilmente debole.

Questo solleva un interrogativo cruciale: e se le componenti oscure non esistessero davvero? Se invece il problema fosse che la relatività generale non è del tutto adeguata per descrivere la gravità su queste enormi distanze? La nostra ricerca si inserisce proprio in questo contesto, indagando se sia necessario modificare la teoria della gravità per comprendere appieno l’universo.

Sulle scale più grandi dell’universo il metodo più robusto per studiare il comportamento della gravità è attraverso l’analisi di come le galassie si distribuiscano nella ragnatela cosmica. Le galassie non sono sparpagliate casualmente, ma si aggregano in strutture filamentose con regioni più dense e grandi vuoti. L’analisi di questa distribuzione è iniziata alla fine degli anni ‘80 e si è evoluta esponenzialmente negli ultimi decenni, passando dallo studio di poche migliaia di galassie a quello di decine di milioni, su volumi che coprono un’enorme porzione dell’universo osservabile.

L’aspetto più interessante di questo tipo di studio è che, a questi livelli di qualità dei dati, ci aspettiamo che inizino a essere visibili dei debolissimi effetti predetti dalla relatività generale. Secondo la teoria di Einstein, la luce non viaggia in linea retta quando passa attraverso un campo gravitazionale, perché questo incurva il suo percorso. Questo fenomeno influenza la nostra percezione della posizione delle galassie.

Questi effetti non sono mai stati osservati sinora, perché sono molto deboli e rilevabili solo a scale di distanze enormi, confrontabili con l’intero volume dell’universo osservabile. Queste scale stanno però per diventare accessibili, grazie alla più avanzata generazione di osservazioni del cosmo.

Se queste misure confermassero le previsioni della relatività generale, ciò supporterebbe l’idea che l’energia oscura esista realmente e sia responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo. Se invece emergessero delle discrepanze, ciò suggerirebbe che la teoria di gravità necessiti di una revisione.

Per studiare questi effetti, oggi ci serviamo di cataloghi contenenti informazioni sulla posizione tridimensionale di un grandissimo numero di galassie, grazie ai quali possiamo ricostruire una mappa della ragnatela cosmica. 

Visto che ci interessano gli effetti sulla scala di distanze più grande possibile, abbiamo bisogno di raccogliere enormi quantità di dati e solo recentemente la comunità è stata in grado di costruire gli strumenti in grado di farlo. Un progetto fondamentale in questo campo è la missione Euclid, un satellite dell’Agenzia Spaziale Europea che ha preso il volo nel 2023 e che a brevissimo renderà pubblica la prima tornata di dati raccolti. Euclid arriverà a raccogliere dati sulla posizione di miliardi di galassie su piú di un terzo del cielo, fino a una distanza pari a circa un terzo del raggio dell’universo osservabile.

Il nostro gruppo di ricerca partecipa attivamente all’analisi di queste osservazioni. Abbiamo messo a punto una nuova tecnica per analizzare le galassie separandole in sottogruppi in base alla loro luminosità, per poi studiarne le proprietà incrociate. 

Questo approccio è utile perché le galassie più brillanti tendono a essere più massicce e situate in ambienti ad alta densità, dove le interazioni gravitazionali sono più intense. Al contrario, le galassie meno luminose si trovano spesso in regioni più isolate, dove la gravità è più debole. Paragonando questi due insiemi di galassie possiamo migliorare la nostra capacità di identificare le debolissime perturbazioni relativistiche previste dalla teoria di Einstein. Al momento, stiamo testando questa tecnica su dati simulati, per verificarne l’efficacia prima di applicarla ai dati reali. I risultati preliminari sono estremamente incoraggianti!

Utilizzare le galassie e la struttura su grande scala dell’universo per verificare la legge di gravità può apparire un obiettivo lontano – è il caso di dirlo! – innumerevoli anni luce dagli interessi della comunità. Al contrario, questi studi hanno ricadute nell’ambito del settore industriale aerospaziale e, su tempi non prevedibili, perfino sulla vita quotidiana.

La necessità di sviluppare telescopi spaziali sempre più precisi stimola il settore dell’aerospazio, sia a livello nazionale che internazionale. Inoltre, una migliore comprensione della legge di gravità può avere ricadute rilevanti, anche se al momento imperscrutabili, sulle nostre attività quotidiane, proprio come accaduto per il GPS, che ci permette ogni giorno di raggiungere mete con un’accuratezza di pochi metri solo grazie alla relatività generale, senza che Einstein nel 1915 lo avesse nemmeno lontanamente immaginato.