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Testing cosmic acceleration from thermogravity without vacuum energy

Questo articolo presenta un test osservativo a livello di fondo di una teoria termogravitazionale in cui l'accelerazione cosmica deriva dalla non conservazione dell'energia piuttosto che da una costante cosmologica, riscontrando che, sebbene un modello che limita la non conservazione alla materia oscura fredda migliori il fit ai dati di distanza rispetto a $\Lambda$ CDM, esso esacerba la tensione di Hubble abbassando il valore inferito di $H_0$ .

Autori originali: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

Pubblicato 2026-09-25

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CC BY 4.0

Autori originali: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

L'universo si sta espandendo e, per decenni, la spiegazione principale di questa accelerazione è stata una misteriosa forza chiamata energia oscura, spesso modellata come una costante cosmologica. Questo concetto suggerisce che lo spazio vuoto possieda un'energia intrinseca che spinge le galassie lontano l'una dall'altra. Tuttavia, questa idea affronta un profondo problema teorico: i calcoli dell'energia attesa dallo spazio vuoto prevedono un valore enormemente superiore rispetto a quello che osserviamo effettivamente. Inoltre, misurazioni recenti del tasso di espansione dell'universo hanno rivelato persistenti disaccordi tra ciò che vediamo nel cosmo primordiale e ciò che misuriamo nell'universo vicino. Queste tensioni hanno portato i fisici a chiedersi se il modello standard della cosmologia stia trascurando qualcosa di fondamentale, forse un difetto nel modo in cui comprendiamo la gravità stessa o il modo in cui l'energia si comporta sulle scale più grandi.

Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università di Sheffield e dell'Imperial College London esplora un'alternativa radicale al modello standard. Invece di assumere che lo spazio vuoto spinga l'universo lontano, essi investigano una teoria in cui la gravità e la termodinamica sono profondamente legate. In questo quadro, le equazioni che descrivono la gravità vengono modificate in modo che l'energia del vuoto dello spazio vuoto non contribuisca affatto alla gravità. Ancora più importante, la teoria permette una violazione controllata della legge di conservazione dell'energia. Nella visione standard, l'energia non può essere creata o distrutta, ma in questo modello di termogravità, l'universo può generare densità di energia nel tempo senza creare quantità di moto. I ricercatori si sono posti una domanda semplice: se l'universo può creare energia da solo, potrebbe questo processo da solo guidare l'accelerazione osservata, eliminando del tutto la necessità di una costante cosmologica?

Per rispondere a questo, il team ha testato due versioni di questa teoria contro dati astronomici reali. La prima versione, chiamata modello universale, assumeva che questa creazione di energia avvenga per tutte le forme di materia e luce in modo uguale. Quando hanno confrontato questo modello con le osservazioni delle supernovae distanti e della struttura su larga scala dell'universo, i risultati sono stati netti. Il modello universale non riusciva a adattarsi ai dati. Creava un compromesso rigido: per corrispondere al tasso di espansione osservato nella storia centrale dell'universo, il modello doveva prevedere un'accelerazione attuale troppo debole per corrispondere a ciò che vediamo oggi. I dati hanno fortemente smentito questa idea, mostrando che una semplice creazione universale di energia non può spiegare il cosmo così come lo osserviamo.

I ricercatori si sono poi rivolti a una versione più sfumata della teoria, in cui questa creazione di energia è limitata solo alla materia oscura fredda, la sostanza invisibile che tiene insieme le galassie. In questo scenario, la materia ordinaria, la luce e i neutrini si comportano esattamente come nel modello standard, mentre solo il settore della materia oscura acquista energia nel tempo. Questo approccio si è dimostrato molto più efficace. Testato contro gli stessi dati astronomici, questo modello forniva un adattamento migliore rispetto al modello standard della costante cosmologica. Il miglioramento era statisticamente significativo, con i dati che favorivano questa nuova spiegazione rispetto alla vecchia con un margine che suggerisce una genuina preferenza per la teoria. Il modello funziona rallentando leggermente il tasso di espansione nel passato rispetto al modello standard, il che si allinea meglio con le distanze misurate verso le galassie lontane.

Tuttimento, la storia non finisce con una semplice vittoria per la nuova teoria. Sebbene la versione della sola materia oscura si adatti meglio alla storia dell'espansione, essa non risolve l'altro grande enigma che tormenta la cosmologia: la tensione di Hubble. Questa tensione nasce dal fatto che le misurazioni del tasso di espansione dell'universo provenienti dall'universo primordiale discordano con le misurazioni provenienti dall'universo vicino. Quando i ricercatori hanno utilizzato i dati dell'universo primordiale per calibrare il loro modello, il risultato è stato che il tasso di espansione previsto per oggi è sceso ulteriormente, peggiorando il disaccordo con le misurazioni vicine invece di migliorarlo. La nuova teoria descrive con successo come l'universo si espande, ma non risolve ancora il conflitto tra i diversi modi di misurare tale espansione.

Lo studio conclude che, sebbene una creazione universale di energia sia probabilmente non la risposta, una versione in cui solo la materia oscura partecipa a questo processo rimane una possibilità valida e convincente. Essa offre un'alternativa concreta e testabile al modello standard che migliora la nostra descrizione della storia cosmica senza aggiungere parametri extra. I ricercatori sottolineano che questo è solo un primo passo, focalizzato sul background liscio e su larga scala dell'universo. Il vero test arriverà quando gli scienziati potranno applicare questa teoria alle strutture irregolari e fluttuanti del cosmo, come la radiazione cosmica di fondo e la crescita degli ammassi di galassie. Fino ad allora, l'idea che la materia oscura possa guadagnare lentamente energia dal tessuto stesso dello spaziotempo rimane un serio contendente nella ricerca di comprendere perché l'universo stia accelerando.

Sintesi Tecnica: Test dell'accelerazione cosmica dalla termogravità senza energia del vuoto

Problema
Il modello standard $\Lambda$ CDM descrive con successo l'Universo osservato, ma si basa sulla costante cosmologica $\Lambda$ , la cui origine fisica rimane oscura (il vecchio problema della costante cosmologica) e la quale non si osserva gravitare con la sua naturale magnitudo di campo quantistico. Inoltre, persistono tensioni tra le sonde dell'Universo precoce e quelle dell'Universo tardivo, in particolare riguardo al parametro di Hubble $H_0$ e all'ampiezza della struttura tardiva. Questo articolo investiga un quadro alternativo in cui l'accelerazione tardiva è generata non da un settore di energia oscura o di energia del vuoto, ma da violazioni controllate della conservazione dell'energia-impulso derivanti da una teoria della "termogravità". In questo quadro, le equazioni di Einstein sono ristrette alla loro forma priva di traccia, rendendo l'energia del vuoto gravitazionalmente inattiva, mentre la non-conservazione dell'energia impedisce il ripristino di $\Lambda$ come costante di integrazione. La domanda centrale è se tale non-conservazione possa guidare esclusivamente l'accelerazione cosmica senza introdurre parametri di background aggiuntivi rispetto al modello piatto $\Lambda$ CDM.

Metodologia
Gli autori analizzano due implementazioni specifiche della teoria della termogravità derivata dal Riferimento [18], concentrandosi esclusivamente sul livello di background omogeneo per evitare le complessità delle perturbazioni in una teoria con rottura dell'invarianza locale di Lorentz e di diffeomorfismo.

Modello Universale: In questo benchmark minimale, tutte le specie di materia (barioni, fotoni, CDM) partecipano alla non-conservazione dell'energia. La violazione è governata da una scala di lunghezza $L^2$ . Gli autori osservano che una violazione universale modifica il "dizionario osservativo" stesso (ad esempio, le definizioni di redshift, distanza di luminosità e righelli standard), rendendo difficile un'analisi del background autosufficiente. Di conseguenza, testano questo modello utilizzando distanze standard di Supernovae di tipo Ia (SNe) e misurazioni di Oscillazioni Acustiche Barioniche (BAO) non calibrate, riconoscendo che l'esclusione di questo modello sotto assunti standard potrebbe non escludere la teoria nel suo complesso.
Modello Solo-CDM ( $\xi$ CDM): Per ottenere un'analisi autosufficiente, gli autori restringono la violazione della non-conservazione solo al settore della Materia Oscura Fredda (CDM). Barioni, fotoni e neutrini seguono leggi di conservazione standard. Ciò preserva il significato operativo standard dei redshift delle SNe, delle luminosità, dei vincoli sulla Nucleosintesi del Big Bang (BBN) e del righello BAO al livello del background. Il modello è trattato come un'estensione a un solo parametro di $\Lambda$ CDM, dove il parametro $\xi_c \equiv 1/(H_0 L^2)$ quantifica l'intensità della creazione di energia della CDM.

L'analisi impiega metodi Markov Chain Monte Carlo (MCMC) utilizzando il campionatore Cobaya. I dataset includono:

SNe Ia: Campioni DES Year 5 (DD) e Pantheon+ (PP).
BAO: Misurazioni DESI DR2 (non calibrate e calibrate).
Ancore dell'Universo Precoce: Vincoli BBN sulla densità barionica ( $\omega_b$ ) e likelihood compresse della CMB (Planck 2018) per l'angolo dell'orizzonte sonoro $\theta_s$ .
Scala delle Distanze: Vincoli $H_0$ da SH0ES e $H_0$ DN.

Per il modello $\xi$ CDM, gli autori introducono una densità di CDM "effettiva" ( $\omega_c^{\text{eff}}$ ) per calibrare correttamente l'orizzonte sonoro ( $r_{\text{drag}}$ ) e l'epoca di ricombinazione, tenendo conto del fatto che la densità della CDM nel passato differisce dall'evoluzione standard $a^{-3}$ .

Contributi Chiave e Risultati

Modello Universale: L'implementazione universale è fortemente sfavorita dai dati di background. Sebbene i dati SNe possano accomodare il modello, l'inclusione delle misurazioni BAO di DESI peggiora drasticamente il fit ( $\Delta\chi^2 \simeq 51$ rispetto a $\Lambda$ CDM). Il modello esibisce una rigidità intrinseca: aumentare la densità di materia $\Omega_m$ per corrispondere alla normalizzazione BAO a redshift intermedio aumenta simultaneamente il parametro di decelerazione attuale ( $q_0 = -1 + 3\Omega_m/2$ ), indebolendo così l'accelerazione attuale richiesta dalle SNe a basso redshift. Gli autori avvertono che questa esclusione si applica all'applicazione standard del dizionario osservativo a una teoria universale, non necessariamente alla cornice della termogravità stessa, poiché il dizionario richiederebbe una ridefinizione in uno scenario pienamente universale.
Modello $\xi$ CDM: Il modello solo-CDM fornisce un fit sistematicamente migliorato ai dataset di background considerati.
- Qualità del Fit: Ottiene una riduzione di $\chi^2$ di $\Delta\chi^2 = -4.85$ (circa $2.2\sigma$ ) rispetto a $\Lambda$ CDM per alcune combinazioni di dataset (ad esempio, DD+DESI).
- Evidenza Bayesiana: Il modello mostra una preferenza Bayesiana positiva, con un valore massimo di $\ln B = 2.77$ (circa $2.9\sigma$ ) per la combinazione DD+DESI.
- Meccanismo: Il miglioramento deriva dal fatto che la non-conservazione sopprime il tasso di espansione $H(z)$ nel passato rispetto a $\Lambda$ CDM, permettendo un migliore adattamento alla relazione distanza-redshift osservata.
- Tensione di Hubble: Fondamentalmente, il modello non risolve la tensione di Hubble. Quando il righello BAO è calibrato utilizzando informazioni dell'Universo precoce (BBN o CMB), la ridotta densità di CDM efficace nel tempo precoce aumenta l'orizzonte sonoro ( $r_{\text{drag}}$ ). Poiché le distanze non calibrate vincolano strettamente il prodotto $r_{\text{drag}}h$ , ciò forza $H_0$ verso valori più bassi, aumentando di conseguenza la tensione con le calibrazioni della scala delle distanze (ad esempio, SH0ES).

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di presentare il primo test osservativo a livello di background della scenario di termogravità proposto nel Riferimento [18]. La sua significatività primaria risiede nel distinguere la viabilità di diverse implementazioni della teoria:

Benchmark Formale: Il modello universale funge da benchmark formale. Il suo forte scostamento dai dati di background sotto assunti standard evidenzia la tensione tra la creazione universale di materia e l'osservata storia dell'espansione, ma gli autori sottolineano che questo non è un'esclusione fisica completa della termogravità universale, poiché la teoria altererebbe fondamentalmente le osservabili utilizzate per testarla.
Alternativa Viabile: L'implementazione solo-CDM ( $\xi$ CDM) è identificata come un target viabile, autosufficiente e competitivo per analisi future. Essa offre un meccanismo concreto per migliorare il fit ai dati di espansione del background senza aggiungere parametri extra oltre a $\Lambda$ CDM.
Limitazioni: Gli autori dichiarano esplicitamente che questi risultati sono provvisori. L'analisi è limitata al background omogeneo perché la rottura dell'invarianza di Lorentz locale rende la scelta del frame fisicamente rilevante per le perturbazioni. Una valutazione definitiva richiede un trattamento perturbativo dedicato della CMB, del lensing debole e della crescita delle strutture, che viene rimandato a lavori futuri.

In conclusione, l'articolo dimostra che, sebbene un'applicazione standard della termogravità sia incoerente con gli attuali dati di background, limitare la non-conservazione dell'energia al solo settore oscuro fornisce un'estensione fenomenologicamente di successo di $\Lambda$ CDM che migliora il fit ai dati della storia dell'espansione, sebbene non riesca ad alleviare la tensione di $H_0$ .

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