L’unico grande problema con tutte le alternative alla Materia oscura e all’energia oscura

Non importa quanto potremmo cercare di nasconderlo, c’è un enorme problema che ci guarda tutti in faccia quando si tratta dell’Universo. Se abbiamo capito solo tre cose:

1. le leggi che governano l’Universo,
2. le componenti che compongono l’Universo,
3. e le condizioni con cui l’Universo è iniziato,

saremmo in grado di fare la cosa più notevole di tutte. Potremmo scrivere un sistema di equazioni che, con un computer abbastanza potente a nostra disposizione, descriverebbe come l’Universo si è evoluto nel tempo per trasformarsi da quelle condizioni iniziali nell’Universo che vediamo oggi.

Ogni singolo evento che si è verificato nella nostra storia cosmica — ai limiti del caos classico e dell’indeterminismo quantistico — potrebbe essere conosciuto e descritto in grande dettaglio, dalle interazioni individuali tra particelle quantistiche alle scale cosmiche più grandi di tutte. Il problema che affrontiamo, quando cerchiamo di fare esattamente questo, è che, nonostante tutto quello che sappiamo sull’Universo, ciò che prevediamo e ciò che osserviamo non corrispondono abbastanza a meno che non aggiungiamo almeno due ingredienti misteriosi: un qualche tipo di materia oscura e un certo tipo di energia oscura. È un puzzle notevole da risolvere e qualcosa con cui ogni astrofisico deve fare i conti. Mentre molti amano presentare alternative, sono tutti anche peggiori della correzione insoddisfacente della materia oscura e dell’energia. Ecco la scienza del perché.

Ci sono tutta una serie di misurazioni che possiamo fare che hanno contribuito a rivelare la natura dell’Universo. Abbiamo misurato le orbite dei pianeti e la deflessione della luce dovuta alla presenza di massa, il che ha dimostrato che la Relatività Generale di Einstein e non le leggi di gravitazione universale di Newton descrivono al meglio la nostra realtà. Abbiamo scoperto il comportamento di particelle subatomiche, antiparticelle e fotoni, rivelando le forze quantistiche e i campi che governano il nostro Universo. Se vogliamo simulare come l’Universo si è evoluto nel tempo, dobbiamo prendere le leggi conosciute e dimostrabilmente corrette sulle scale che le abbiamo testate e applicarle al cosmo nel suo insieme.

Siamo anche stati in grado di misurare tutta una serie di proprietà su tutti gli oggetti che possiamo osservare in tutto l’Universo. Abbiamo imparato come le stelle brillano ed emettono luce, e possiamo dire molto su una stella – quanto massiccia, calda, luminosa, vecchia, ricca di elementi pesanti, ecc. – solo guardando la sua luce nel modo giusto. Inoltre, sono state identificate molte altre forme di materia, come pianeti, cadaveri stellari, stelle fallite, gas, polvere, plasma e persino buchi neri.

Siamo sulla buona strada per eseguire una sorta di “censimento cosmico”, in cui possiamo sommare tutta la materia e l’energia dell’Universo e ciò che lo compone. Oltre alla materia, abbiamo identificato l’antimateria in piccole quantità. Non ci sono stelle o galassie là fuori, all’interno del nostro universo visibile, fatte di antimateria invece di materia normale, ma ci sono getti di antimateria che scorrono via da motori naturali ad alta energia come buchi neri e stelle di neutroni. Ci sono anche neutrini che attraversano l’Universo, minuscoli in massa ma enormi in numero, generati durante il Big Bang caldo e anche da processi nucleari in stelle e cataclismi stellari.

Il problema, ovviamente, è che quando prendiamo tutti gli ingredienti che abbiamo misurato direttamente, applichiamo le equazioni che governano l’Universo al cosmo nel suo insieme, e proviamo a mettere tutto insieme, non si sommano. Le leggi che conosciamo e gli ingredienti che abbiamo scoperto direttamente, quando combinati, non possono spiegare l’Universo come lo vediamo. In particolare, ci sono alcune osservazioni che sembrano escludersi a vicenda se vogliamo esaminare l’ipotesi nulla: che ciò che vediamo e ciò che sappiamo è tutto ciò che esiste.

Hai già sentito parlare di materia oscura, e la ragione per cui probabilmente hai sentito che ne abbiamo bisogno è che, “non c’è abbastanza materia normale per tenere conto di tutti gli effetti della gravità che vediamo.”La domanda più comune che gli astrofisici ottengono è:” beh, e se ci fosse solo più materia normale là fuori rispetto ai tipi di materia che siamo bravi a rilevare? Cosa succede se la ‘materia oscura’ è solo una materia più normale che sembra essere oscura?”

Il problema con questa idea è che sappiamo — dalle osservazioni che abbiamo già — quanta materia normale in totale esiste all’interno dell’Universo visibile. L’Universo era più caldo e più denso in passato, e quando le cose erano abbastanza calde e dense, potevano esistere solo protoni e neutroni liberi. Se avessero tentato di legarsi insieme in una qualsiasi combinazione di nuclei più pesanti, l’Universo era così energico che sarebbero stati immediatamente fatti saltare in aria. Il più leggero gli elementi che esiste:

• idrogeno (1 protone),
• deuterio (1 protone e 1 neutrone),
• elio-3 (2 protoni e 1 neutrone),
• elio-4 (2 protoni e 2 neutroni),
• e litio-7 (3 protoni e 4 neutroni)

sono stati creati nei primi 3-4 minuti dell’Universo, formando solo dopo che l’Universo si raffredda sufficientemente in modo che essi non istantaneamente distrutto.

Ciò che è notevole è che, poiché le leggi della fisica che governano le particelle (e la fusione nucleare) sono così ben comprese, possiamo calcolare esattamente-supponendo che l’Universo fosse una volta più caldo, più denso, espanso e raffreddato da quello stato — quali dovrebbero essere i diversi rapporti di questi diversi elementi di luce. Abbiamo anche studiato le reazioni in laboratorio direttamente, e le cose si comportano esattamente come la nostra teoria prevede. L’unico fattore che variiamo è il rapporto fotone-barione, che ci dice quanti fotoni cosmici (particelle di luce) ci sono per ogni protone o neutrone (i barioni) nel nostro Universo.

Ora abbiamo misurato tutto. Satelliti come COBE, WMAP e Planck hanno misurato quanti fotoni ci sono nell’universo: 411 per centimetro cubo di spazio. Le nubi intervenienti di gas che appaiono tra noi e una sorgente luminosa lontana, come una galassia luminosa o un quasar, assorbiranno una frazione della luce mentre viaggia attraverso l’Universo, insegnandoci direttamente l’abbondanza di questi elementi e isotopi. Quando sommiamo tutto, solo ~5% dell’energia totale nell’Universo può essere materia normale: né più né meno.

Ci sono tutti i tipi di osservazioni, oltre a quelle menzionate qui, di cui dobbiamo tenere conto. Una legge universale della natura non va bene se funziona solo in determinate condizioni; devi essere in grado di spiegare un’ampia varietà di fenomeni cosmici se vuoi che la tua cosmologia proposta sia presa sul serio. Devi spiegare:

• la rete cosmica di struttura che vediamo nel nostro Universo e di come si è formata,
• le dimensioni, le masse e la stabilità delle singole galassie,
• le velocità delle galassie zippare intorno all’interno di ammassi di galassie,
• le variazioni di temperatura impresso nella radiazione cosmica di fondo: il Big Bang è rimasto bagliore,
• la lente gravitazionale osservato intorno ammassi di galassie, sia di isolare e di quelli nel processo di collisione,
• e come il tasso di espansione dell’Universo, le variazioni nel tempo, l’esatta moda abbiamo osservato per cambiare.

Ci sono molte altre osservazioni che possiamo inserire in questa selezione, ma queste sono state scelte per una ragione specifica: in un Universo fatto solo di materia normale, radiazioni e neutrini nelle loro quantità osservate, non possiamo spiegare nessuna di queste osservazioni. Per spiegare l’Universo che vediamo, è necessario qualcosa di aggiuntivo.

In linea di principio, si potrebbe immaginare che solo un nuovo tweak potrebbe spiegare tutto. Che forse, se fossimo abbastanza intelligenti, potremmo semplicemente aggiungere un nuovo ingrediente o apportare una modifica alle nostre regole che spiegherebbe tutte queste osservazioni insieme. Questa era l’idea originale dietro la materia oscura, a proposito, come è stato proposto per la prima volta nel 1930 da Fritz Zwicky. Fu il primo a misurare la velocità delle galassie che sfrecciavano all’interno degli ammassi di galassie, e scoprì che doveva esserci qualcosa come ~100 volte più massa di quanto le stelle potessero spiegare. Ha ipotizzato un nuovo ingrediente – materia oscura-che potrebbe spiegare tutto questo.

Sappiamo che la materia oscura, dalle osservazioni e dagli esperimenti, non può essere fatta di nessuna delle particelle conosciute che esistono all’interno del Modello Standard della fisica. Abbiamo imparato che la materia oscura non avrebbe potuto essere calda, o in rapido movimento, anche all’inizio; deve essere piuttosto massiccia o deve essere nata senza molta energia cinetica. Abbiamo imparato che non può interagire attraverso la forza forte o elettromagnetica o debole in alcun modo apprezzabile. E abbiamo imparato che, se aggiungiamo questo ingrediente di materia oscura fredda all’Universo, quasi tutte le osservazioni si allineano.

Con la sola materia oscura, possiamo spiegare molte delle osservazioni di cui non possiamo tenere conto senza di essa. Otteniamo una rete cosmica; abbiamo ammassi stellari che si fondono in piccole galassie che si trasformano in grandi galassie e, infine, ammassi di galassie; abbiamo in rapido movimento delle galassie all’interno di tali cluster; si ottiene una separazione tra il gas caldo e gli effetti della forza di gravità quando ammassi di galassie si scontrano; abbiamo galassie che ruotano rapidamente all’esterno che all’interno; abbiamo un significativo effetto di lensing gravitazionale, coerente con le osservazioni; abbiamo sbalzi di temperatura che sono d’accordo con la radiazione cosmica di fondo, e che spiega la probabilità di trovare una galassia, una particolare distanza da qualsiasi altra galassia.

Ma non otteniamo tutto. La materia oscura è l’unica “cosa” in più che possiamo aggiungere-e risulta essere un ingrediente piuttosto che una modifica — per risolvere il maggior numero di questi problemi tutti in una volta, ma non ci dà tutto. Non risolve il problema (più grande) del tasso di espansione, e non spiega il puzzle (più piccolo) del perché, nonostante superi la materia normale con un rapporto 5-a-1, l’Universo è spazialmente piatto. In qualche modo, un pieno 2/3 dell’energia totale dell’Universo non è contabilizzato.

L’energia oscura, ovviamente, è il secondo ingrediente aggiuntivo che possiamo aggiungere per spiegare il resto delle osservazioni. Funziona come una forma di energia inerente allo spazio stesso, diventando importante solo quando l’Universo si è espanso per diventare abbastanza diluito e diffuso. Costituisce la maggior parte dell’energia dell’Universo oggi, dopo essere stato irrilevante per i primi ~7+ miliardi di anni. E fa sì che le galassie lontane accelerino, piuttosto che decelerare, mentre si allontanano da noi nell’Universo in espansione.

Non esiste una singola modifica che spieghi tutte queste osservazioni insieme. In effetti, qualsiasi altra singola modifica che puoi apportare-cambiando le leggi o aggiungendo un nuovo ingrediente — risolverà meno di questi problemi rispetto alla materia oscura o all’energia oscura. La maggior parte delle idee in competizione là fuori, come ad esempio:

• modificando le leggi di gravità,
• avere energia oscura essere un campo dinamico o un’entità che si evolve con il tempo,
• o inventare una sorta di materia oscura in decomposizione o energia oscura precoce,

avere uno (o entrambi) di due difetti fatali. O richiedono più dei due nuovi parametri aggiunti dalla materia oscura e dall’energia oscura, o non riescono a risolvere tutti i problemi che l’aggiunta di materia oscura ed energia oscura risolve.

Nella scienza, la maggior parte delle persone fa uso del rasoio di Occam — l’idea che data la scelta tra le spiegazioni, la più semplice è di solito la migliore — erroneamente. Non è più semplice modificare la gravità che aggiungere materia oscura ed energia oscura, non se tale modifica richiede due o più parametri aggiunti. Non è più semplice introdurre un tipo di energia oscura che è qualcosa di diverso da una costante cosmologica; quest’ultima è la classe di energia oscura più “vanigliata” che ci sia, e funziona per tutto. Invece, dovresti fare qualcosa come inventare una spiegazione che introducesse solo una nuova entità, sostituendo sia la materia oscura che l’energia oscura insieme.

Per quanto sconcertante, la materia oscura e l’energia oscura sono la spiegazione più semplice. Un’idea di fluido scuro richiede più parametri liberi. Il nuovo MOND relativistico introdotto all’inizio di quest’anno o la vecchia gravità tensore-vettore-scalare di Bekenstein non solo aggiunge almeno altrettanti parametri come la materia oscura e l’energia oscura, ma non possono ancora spiegare gli ammassi di galassie. Il problema non è che la materia oscura e l’energia oscura devono semplicemente avere ragione. È che tutte le altre idee sono oggettivamente peggiori. Qualunque cosa stia realmente accadendo con il nostro Universo, lo dobbiamo a noi stessi di continuare l’indagine. È l’unico modo in cui sapremo mai come funziona veramente la natura, semplice o meno.