Le stelle di neutroni potrebbero essere il modo migliore per misurare l’energia oscura

L’energia oscura è centrale nella nostra moderna teoria della cosmologia. Sappiamo che l’universo si sta espandendo a una velocità sempre crescente e la spiegazione più chiara è che un qualche tipo di energia lo sta guidando. Poiché questa energia non emette luce, la chiamiamo energia oscura. Ma dare semplicemente un nome all’energia oscura non significa che lo comprendiamo completamente. Possiamo vedere cosa fa l’energia oscura, ma la sua natura fondamentale è forse il più grande mistero scientifico che abbiamo.

L’idea più popolare per l’energia oscura è che sia un aspetto dello spaziotempo stesso. All’interno della teoria della relatività generale di Einstein, è possibile includere un termine noto come costante cosmologica. Mentre l’universo potrebbe espandersi senza una costante cosmologica, ha bisogno della costante affinché quell’espansione acceleri mentre osserviamo. Cioè, nel quadro della relatività generale.

Ma mentre la costante cosmologica corrisponde molto bene all’osservazione, l’idea non è priva di problemi. Un problema che continua a comparire nei dati è il fatto che non possiamo fissarne il valore. Quando proviamo a misurare la costante utilizzando metodi diversi, otteniamo valori leggermente diversi. In passato, l’incertezza di quei valori era abbastanza grande da poter trascurare questo problema, ma le nostre osservazioni sono diventate abbastanza accurate ed è chiaro che non tornano. O c’è qualche errore sistematico nelle nostre osservazioni che non abbiamo fissato, o la costante cosmologica non funziona del tutto. Se questo è vero, allora la relatività generale non è del tutto corretta.

Allora qual è l’alternativa?

Uno dei più popolari di questi è noto come teoria di Brans-Dicke, o teoria di Jordan-Brans-Dicke, o teoria di Fierz-Jordan-Brans-Dicke, a seconda di quante persone vuoi attribuire l’idea. Questa teoria è molto simile al modello di Einstein, in quanto sia nei modelli dello spaziotempo che nella materia sia nella relatività speciale, lo spaziotempo è descritto da un campo tensoriale noto come metrica e il principio di equivalenza vale. Fondamentalmente, qualsiasi soluzione alla relatività generale è anche una soluzione per Brans-Dicke.

Nella relatività generale, l’accelerazione è equivalente alla gravità. Credito: Markus Poessel, tramite Wikipedia

La teoria di Jordan-Brans-Dicke è stata proposta in parte per riportare la relatività generale in un migliore accordo con il principio di Mach. Quindi, mentre il modello di Einstein descrive la gravità interamente attraverso la metrica dello spaziotempo, Jordan-Brans-Dicke aggiunge un campo scalare al mix. Gli effetti della gravità sono quindi causati sia dal campo scalare che dalla metrica tensoriale, motivo per cui a volte viene chiamato modello scalare-tensore. Poiché questo modello scalare-tensore è in qualche modo una generalizzazione del modello di Einstein, è possibile utilizzare entrambi i modelli per descrivere correttamente l’universo osservato. Ovviamente, se non hai bisogno di un campo scalare aggiuntivo per descrivere la gravità, perché inventarne uno? Da qui il motivo per cui la teoria di Jordan-Brans-Dicke non è molto popolare.

Questo a meno che tu non voglia un’alternativa alla costante cosmologica. Con un campo scalare extra, all’improvviso hai un grado di libertà che potrebbe spiegare l’energia oscura. Modifica il tuo campo scalare nel modo giusto e puoi abbinare le osservazioni che abbiamo sull’energia oscura. E poiché è un campo piuttosto che una costante, l’energia oscura potrebbe variare sia nello spazio che nel tempo, il che spiegherebbe perché non possiamo fissarla a una semplice costante.

È un’idea interessante, ma sarà ampiamente accettata solo se riuscirai a trovare un esperimento che dimostri che Einstein ha torto e che Jordan-Brans-Dicke ha ragione. Buona fortuna, visto quanto sono simili i due modelli. Ma ora uno studio recente mostra come potrebbe essere testata la teoria di Jordan-Brans-Dicke e coinvolge la collisione di stelle di neutroni.

Un campo scalare migliora alcune modalità d’onda gravitazionale per la fusione di stelle di neutroni. Credito: Bezares, et al

Modellare le collisioni di stelle di neutroni è difficile. La relatività generale è una teoria matematica complessa, quindi ci vuole un’enorme quantità di potenza di calcolo per modellare le collisioni. La teoria di Jordan-Brans-Dicke è ancora più complessa, il che rende la simulazione delle collisioni molto più difficile. Ma il team è stato in grado di creare una simulazione che funziona. Confrontando le collisioni di stelle di neutroni nella teoria di Jordan-Brans-Dicke con la relatività generale, hanno scoperto che ci sono differenze chiave nei segnali delle onde gravitazionali. Queste differenze sono troppo piccole per essere osservate con gli attuali telescopi per onde gravitazionali, ma la prossima generazione di osservatori dovrebbe essere in grado di distinguere i modelli.

Allo stato attuale, sia la relatività generale che la teoria di Jordan-Brans-Dicke corrispondono ugualmente bene alle nostre osservazioni. Il motivo principale per cui la relatività generale è più popolare è che è più semplice e in qualche modo più elegante. Ma non sempre semplice ed elegante rende un modello giusto.

Alla fine il tempo, e lo spazio, lo diranno.

Riferimenti: Bezares, Miguel, et al. “Nessuna prova di screening cinetico nelle simulazioni di fusione di stelle di neutroni binari oltre la relatività generale”. Lettere di revisione fisica 128.9 (2022): 091103.

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