Gravitational-Susceptibility Dip Behind DESI's results: Addressing the Phantom Crossing by Local limit of Nonlocal Gravity

L'universo si sta espandendo e, per decenni, gli astronomi hanno creduto che questa espansione sia guidata da una forza misteriosa chiamata energia oscura. Nel modello standard della cosmologia, si pensa che questa forza sia un'energia costante e immutabile inerente allo spazio vuoto stesso, che spinge le galassie lontano l'una dall'altra a un ritmo costante e prevedibile. Questo modello ha funzionato bene per molte osservazioni, ma lascia ai fisici domande profonde sul perché l'universo si comporti in questo modo e su cosa sia realmente l'energia oscura. Recentemente, un nuovo e massiccio sondaggio del cosmo ha iniziato a sfidare questa semplice immagine. Mappando le posizioni di milioni di galassie e quasar, gli scienziati hanno trovato indizi che l'energia oscura potrebbe non essere costante dopo tutto. Inveve, sembra che stia cambiando nel tempo, e in un modo che sfida le attuali regole della fisica così come le intendiamo. Questi nuovi dati suggeriscono che la forza che guida l'espansione dell'universo stia attraversando una soglia critica, passando da un tipo di comportamento a un altro in un modo che la teoria standard fatica a spiegare senza invocare forme di materia instabili o impossibili.

Un team di ricercatori della Sharif University of Technology in Iran ha proposto un nuovo modo per comprendere questi risultati enigmatici senza infrangere le leggi della fisica. Suggeriscono che il bizzarro comportamento osservato nei dati non sia causato da un nuovo tipo di energia esotica, ma da un sottile cambiamento nel modo in cui la gravità stessa funziona sulle scale più grandi. Il loro lavoro si concentra su una specifica teoria chiamata gravità non locale, che immagina che la forza di gravità non sia solo un'interazione semplice tra due punti nello spazio, ma sia influenzata dalla storia del campo circostante, in modo simile a come la risposta di un materiale a un campo elettrico può dipendere dal suo stato passato. In questo quadro, la forza della gravità è governata da un fattore chiamato suscettibilità gravitazionale, che può variare mentre l'universo evolve. I ricercatori hanno scoperto che se questa suscettibilità cambia nel tempo, può creare l'illusione che l'energia oscura si comporti in modo strano, anche se l'energia oscura stessa rimane perfettamente normale e costante.

La chiave della loro scoperta risiede negli ultimi dati del Dark Energy Spectroscopic Instrument, o DESI. Questo strumento ha misurato le posizioni di oltre quattordici milioni di galassie e quasar, creando la mappa più dettagliata della struttura su larga scala dell'universo mai realizzata. Quando il team di DESI ha combinato le sue misurazioni con i dati della radiazione cosmica di fondo e delle supernovae, i risultati hanno indicato un'energia oscura che cambia la sua natura. Nello specifico, i dati suggeriscono che l'equazione di stato dell'energia oscura — un numero che descrive come la sua pressione si relaziona alla sua densità — abbia attraversato una linea critica nota come "divisore fantasma" (phantom divide). Nella visione standard, attraversare questa linea richiederebbe che l'energia oscura diventasse un fluido "fantasma", un tipo di materia che viola le condizioni energetiche fondamentali ed è generalmente considerata instabile o impossibile nella fisica standard. I dati di DESI indicano che questo attraversamento è avvenuto circa 4 miliardi di anni fa, quando l'universo aveva circa due terzi della sua età attuale.

I ricercatori hanno dimostrato che questo attraversamento fantasma non richiede l'esistenza di tale materia impossibile. Invece, hanno dimostrato che un cambiamento della suscettibilità gravitazionale può simulare perfettamente questo effetto. Nel loro modello, il fluido di energia oscura rimane costante e ben comportato in ogni momento, con una relazione fissa tra la sua pressione e la sua densità. Tuttavia, poiché la suscettibilità gravitazionale cambia con l'espansione dell'universo, un osservatore che misura il tasso di espansione calcolerà un valore diverso e variabile del comportamento dell'energia oscura. È come se l'osservatore stesse guardando un oggetto costante attraverso una lente che cambia lentamente forma; l'oggetto non si è mosso, ma la vista di esso è cambiata. I ricercatori hanno calcolato esattamente come questa suscettibilità debba cambiare per corrispondere alle osservazioni di DESI. Hanno scoperto che la suscettibilità deve subire un calo in un momento specifico della storia dell'universo, raggiungendo un minimo proprio intorno al tempo in cui è stato osservato l'attraversamento fantasma, prima di tornare al suo stato precedente.

Per testare questa idea, il team ha utilizzato potenti simulazioni al computer per confrontare il loro modello con i dati reali. Hanno inserito le misurazioni più recenti della radiazione cosmica di fondo, il sondaggio delle galassie di DESI e tre diversi cataloghi di supernovae nelle loro equazioni. I risultati sono stati sorprendenti: il modello con la variazione della suscettibilità gravitazionale si adattava ai dati altrettanto bene e, in alcuni casi meglio, rispetto al modello standard della cosmologia. L'analisi ha rivelato che il miglior adattamento ai dati richiedeva che la suscettibilità gravitazionale avesse un calo con una profondità di circa meno 0,025 a un redshift di circa 0,4, che corrisponde al tempo in cui è stato rilevato l'attraversamento fantasma. Questo calo è una caratteristica piccola ma significativa nella risposta dello spaziotempo alla materia, e la sua presenza spiega lo spostamento osservato nel comportamento dell'energia oscura senza dover introdurre nuove particelle o campi esotici.

Lo studio ha anche esplorato come questo nuovo modello influenzi la nostra comprensione dell'età dell'universo e del suo tasso di espansione, noto come costante di Hubble. I ricercatori hanno scoperto che la profondità del calo della suscettibilità è legata al valore di questo tasso di espansione. Quando il modello tiene conto del calo, suggerisce un tasso di espansione leggermente diverso rispetto al modello standard, aiutando a risolvere alcune delle tensioni che sono apparse negli ultimi anni tra i diversi metodi di misurazione della crescita dell'universo. Fondamentalmente, il modello rimane coerente con tutte le principali sonde cosmologiche, inclusi i dettagli dei pattern di luce dell'universo primordiale. I ricercatori hanno concluso che l'attraversamento fantasma visto da DESI è probabilmente un fenomeno effettivo, una conseguenza naturale di un quadro gravitazionale modificato piuttosto che il segno di un'energia oscura instabile.

Questo lavoro offre un'alternativa convincente all'idea che l'universo sia pieno di materia esotica e instabile. Dimostrando che un semplice cambiamento nelle regole della gravità può riprodurre il complesso comportamento visto nei dati, i ricercatori forniscono una strada da seguire che mantiene intatte le leggi della fisica. Il modello suggerisce che la storia dell'espansione dell'universo sia più dinamica di quanto precedentemente pensato, non perché l'energia che la guida stia cambiando, ma perché il modo in cui la gravità risponde a quell'energia si sta evolvendo. Le scoperte non provano che questa sia la risposta definitiva, ma dimostrano che i segnali strani rilevati da DESI possono essere spiegati all'interno di una teoria della gravità modificata e coerente. Man mano che nuovi dati arriveranno dai futuri sondaggi, questa idea di una suscettibilità gravitazionale variabile sarà ulteriormente testata, potenzialmente rimodellando la nostra comprensione delle forze invisibili che governano il cosmo.