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L’ipotesi delle ‘bolle cosmiche’ secondo George Ellis

Una delle priorità della moderna cosmologia è lo studio dell’energia scura, quella misteriosa forza che sta determinando una espansione accelerata dell’Universo e di cui gli astronomi ignorano ancora la sua natura. Sebbene siano state avanzate varie ipotesi sulla sua origine, di recente il cosmologo George Ellis, dell’Università di Cape Town, ha proposto uno scenario alternativo secondo il quale l’energia scura sarebbe solo un falso effetto dovuto semplicemente alla nostra speciale posizione che occupiamo all’interno di un gigantesco vuoto cosmico, detto anche ‘bolla cosmica’.

Cominciamo prima a vedere le varie ipotesi che sono state avanzate sull’energia scura. La prima risale al 1917 quando Albert Einstein, per evitare il collasso gravitazionale del suo Universo, aveva introdotto nelle equazioni della relatività generale una proprietà dello spazio aggiungendo un termine, chiamato costante cosmologica, che avrebbe stabilizzato l’effetto della gravità mediante l’azione di una forza repulsiva, una sorta di forza antigravitazionale, che agisse su larga scala permeando tutto lo spazio cosmico. Una seconda ipotesi deriva dalla natura quantistica dello spazio quando consideriamo le scale subatomiche. Qui gli effetti quantistici diventano significativi e può succedere che coppie virtuali di particelle-antiparticelle emergano spontaneamente dal vuoto, esistono per un brevissimo intervallo di tempo e poi scompaiono rapidamente. Questo ci dice che lo spazio vuoto non è effettivamente vuoto. Ora, dato che queste particelle virtuali possono riempire lo spazio con una quantità di energia diversa da zero, si è trovato che tutte le misure e le stime della quantità di energia dello spazio vuoto portano a valori decisamente assurdi che vanno da 55 a 120 ordini di grandezza maggiori dell’energia associata a tutta la materia e alla radiazione presenti nell’Universo osservabile. Ciò implica che se l’energia del vuoto avesse realmente quei valori, tutta la materia presente nell’Universo si disperderebbe istantaneamente. Quale effetto avrebbe una tale costante cosmologica? Se veramente il valore della costante cosmologica fosse davvero grande come previsto dalla teoria dei quanti, lo spazio si espanderebbe così rapidamente che la luce dovuta, ad esempio, ai fotoni che provengono dalla mano non raggiungerebbe mai i nostri occhi. Insomma, una accelerazione di proporzioni epiche potrebbe distruggere qualsiasi cosa, dagli atomi alle galassie, e la fine dell’Universo sarebbe quella di un colossale Big Rip. Un terzo aspetto è stato analizzato da Paul Dirac. Egli riteneva che certe quantità fisiche avrebbero potuto variare con il passare del tempo ed essere perciò o troppo grandi o troppo piccole se misurate oggi. La costante cosmologica potrebbe essere un esempio di questa variabilità temporale, in altre parole potrebbe non essere una costante. Per descrivere questa forma di energia variabile nel tempo, Robert CaldwellRahul Dave Paul Steinhardt hanno introdotto il termine quintessenza, ossia “quinto elemento” dall’idea che avevano gli antichi filosofi greci secondo i quali l’Universo era composto da quattro elementi, aria, acqua, terra e fuoco, più una sostanza effimera che impediva alla Luna e ai pianeti di cadere al centro della sfera celeste. Ma per i cosmologi moderni, il termine quintessenza si riferisce ad un campo quantistico dinamico che causa una repulsione gravitazionale. Secondo questa ipotesi, la costante cosmologica evolve nel tempo e si aggiusta, per così dire, fino ad assumere il valore che possiede oggi, determinando una sorta di “stiramento” dello spaziotempo, come quando un elastico viene appunto tirato, e un aumento di volume dello spazio causando una accelerazione all’espansione dell’Universo che prevale quindi a discapito del campo gravitazionale dovuto alla materia. Ma forse l’energia scura non esiste affatto e quello che misuriamo è solo un effetto locale dovuto al fatto che la nostra posizione nella Galassia si trova in una regione particolare dello spazio. E’ ciò che ha proposto George Ellis secondo il quale ci troviamo in una sorta di “bolla cosmica”, ossia un gigantesco vuoto cosmico dove la densità di materia ivi presente è mediamente inferiore rispetto allo spazio circostante. Ora dato che l’Universo si espande in funzione della quantità di materia che, a sua volta, determina un effetto di attrazione gravitazionale frenando l’espansione dello spazio, si ha che più è vuota una regione dello spazio e meno materia esso contiene per rallentare l’espansione. Dunque il tasso di espansione locale dell’Universo diventerà maggiore che altrove e diminuirà in prossimità dei bordi della bolla dove gli effetti della densità di materia diventano più significativi. Quindi, certe regioni dello spazio si espanderanno con velocità diverse così come succede ai palloncini delle feste che non si gonfiano in maniera uniforme. Sebbene questa ipotesi sia alquanto intrigante, tuttavia alcuni scienziati sembrano scettici in merito all’esistenza di giganteschi vuoti cosmici poiché non si spiegherebbe, per esempio, l’uniformità della radiazione cosmica di fondo per non parlare poi della distribuzione apparentemente uniforme delle galassie. Nel primo caso, affinché la radiazione cosmica sia compatibile con la presenza di una regione vuota, dovremmo assumere un vuoto cosmico sferico e con la Terra al suo centro. Nel secondo caso, invece, le osservazioni con gli attuali strumenti non sono abbastanza profonde da confermare, definitivamente o meno, l’esistenza di un vuoto di dimensioni tali da produrre gli effetti attribuiti all’energia scura. Dunque si spera che i prossimi dati del satellite Planck ci forniranno dei limiti più forti sull’anisotropia della radiazione cosmica di fondo che serviranno per verificare l’esistenza di eventuali bolle cosmiche.

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