Holographic dark energy in Einstein-Cartan spin cosmology

L'universo si sta espandendo, e non solo si sta espandendo, ma sta accelerando. Questa scoperta, confermata dall'osservazione di stelle distanti che esplodono e dal debole bagliore residuo del Big Bang, ha costretto i fisici ad affrontare un mistero profondo: cosa sta spingendo il cosmo ad allontanarsi? La spiegazione principale coinvolge una forza misteriosa chiamata energia oscura, che agisce come una pressione repulsiva che riempie lo spazio vuoto tra le galassie. Tuttavia, la versione più comune di questa teoria, che tratta l'energia oscura come una proprietà costante e immutabile dello spazio stesso, si scontra con seri problemi matematici e logici. Essa fatica a spiegare perché l'universo stia accelerando proprio ora e perché la quantità di energia oscura sembri essere così perfettamente calibrata rispetto alla quantità di materia che possiamo vedere. Per risolvere questo problema, gli scienziati spesso cercano nuovi modi per descrivere la gravità stessa, chiedendosi se la nostra attuale comprensione di come lo spazio e il tempo si curvino sia incompleta.

Una tale alternativa è una teoria che aggiunge una sottile sfumatura alla geometria dell'universo. Mentre la gravità standard descrive lo spazio come un tessuto liscio che si piega sotto il peso della materia, questa teoria alternativa suggerisce che lo spazio possieda anche una proprietà chiamata torsione. Si può pensare alla torsione come a una deformazione microscopica, simile a una torsione o a una vite, nel tessuto dello spaziotempo, causata dallo spin intrinseco delle particelle, proprio come un trottola che ruota ha un'orientazione specifica. In questo quadro, noto come teoria di Einstein-Cartan, lo spin della materia non rimane semplicemente passivo; esso deforma attivamente la geometria dell'universo in un modo che la gravità standard ignora. Un team di ricercatori ha ora esplorato come questa geometria rotante interagisca con un modello specifico di energia oscura per vedere se possa spiegare l'attuale accelerazione dell'universo senza dover inventare nuove, misteriose interazioni tra diverse componenti cosmiche.

I ricercatori si sono concentrati su un modello chiamato energia oscura olografica. Questa idea deriva da un principio della fisica che suggerisce che la quantità di energia in una regione di spazio sia limitata dalle dimensioni di quella regione, in modo simile a come la massa di un buco nero è limitata dalle sue dimensioni. Nella versione standard di questo modello, se gli scienziati utilizzano le dimensioni dell'universo osservabile come limite, l'energia oscura si comporta esattamente come polvere ordinaria. Essa tende ad agglomerarsi e a rallentare l'espansione invece di accelerarla. Per far funzionare questo modello nella gravità standard, gli scienziati devono solitamente forzare un'interazione tra la materia oscura e l'energia oscura, facendole essenzialmente "dialogare" in un modo che non è mai stato osservato. Il nuovo studio pone una domanda diversa: può la geometria dello spazio stesso, specificamente la torsione causata dalle particelle in rotazione, cambiare il comportamento di questa energia oscura in modo che acceleri l'universo senza richiedere interazioni artificiali?

Per rispondere a ciò, il team ha applicato le equazioni della teoria di Einstein-Cartan a un universo riempito da un fluido di particelle con spin, che rappresenta la materia e l'energia oscura nel cosmo. Hanno scoperto che la presenza della torsione altera fondamentalmente le regole. Nei loro calcoli, la torsione dello spazio agisce come una forza nascosta che sposta il comportamento dell'energia oscura olografica. Invece di agire come polvere che rallenta le cose, l'energia oscura viene spinta verso uno stato in cui esercita una pressione negativa, che è esattamente ciò di cui si ha bisogno per guidare l'accelerazione cosmica. Fondamentalmente, ciò avviene naturalmente. La materia oscura e l'energia oscura rimangono completamente separate, senza mai interagire direttamente; è la geometria stessa dell'universo a colmare la lacuna, permettendo l'accelerazione. Ciò suggerisce che l'accelerazione che osserviamo potrebbe non essere dovuta a un nuovo tipo di energia o a una stretta di mano segreta tra componenti cosmiche, ma piuttosto a una conseguenza della struttura geometrica sottostante dell'universo.

Il team ha poi testato se questo quadro teorico corrisponda a ciò che vediamo effettivamente nel cielo. Hanno confrontato il loro modello con le osservazioni di supernovae distanti, che fungono da indicatori di distanza cosmica. Regolando un singolo parametro libero nel loro modello, hanno trovato un valore che si adatta sorprendentemente bene ai dati osservati. Questo valore di migliore adattamento indica che l'universo sta attualmente accelerando, e la forza di questa accelerazione è in linea con le misurazioni effettuate nelle galassie vicine. Il modello prevede che l'energia oscura si comporti in modo molto simile a una costante cosmologica, un termine spesso usato per descrivere l'energia dello spazio vuoto, ma arriva a questo risultato attraverso un meccanismo diverso che coinvolge lo spin della materia. I ricercatori hanno anche calcolato quanto la "torsione" dello spazio contribuisca a questo effetto. Hanno scoperto che, sebbene la torsione sia piccola, è sufficientemente significativa da essere misurabile ed è coerente con l'attuale tasso di espansione.

Oltre a spiegare l'accelerazione, lo studio ha anche esaminato come questa geometria rotante influenzi il modo in cui misuriamo le distanze nell'universo. Nella fisica standard, esiste una regola rigida che collega la luminosità di un oggetto distante alla sua dimensione apparente; se si conosce l'una, si può calcolare l'altra. Tuttavia, la presenza della torsione rompe leggermente questa regola. Mentre la luce viaggia da una sorgente distante verso la Terra, la torsione dello spazio si accumula lungo il percorso, creando una minuscola deviazione nella relazione tra luminosità e dimensione. I ricercatori hanno calcolato che questa deviazione aumenta con l'aumentare della distanza dall'oggetto. Sebbene l'effetto sia attualmente troppo piccolo per essere visto con i telescopi esistenti, esso fornisce una previsione concreta e testabile. Se gli strumenti futuri potranno misurare le distanze cosmiche con estrema precisione, potrebbero rilevare questa specifica firma della torsione, offrendo un modo per confermare o smentire questa spiegazione geometrica dell'energia oscura.

Lo studio conclude che il quadro di Einstein-Cartan offre una spiegazione valida e autoconsistente dell'universo accelerato. Dimostra che lo spin intrinseco della materia, attraverso il meccanismo della torsione, può modificare il comportamento dell'energia oscura in un modo in cui la gravità standard non può fare. Ciò permette all'universo di accelerare senza richiedere che la materia oscura e l'energia oscura interagiscano, risolvendo un enigma di lunga data nella modellizzazione cosmologica. Le scoperte sono presentate come una descrizione coerente dell'universo a bassi redshift, il che significa che si applicano alla storia relativamente recente del cosmo. Sebbene il modello non pretenda ancora di spiegare l'intera storia dell'universo dal Big Bang a oggi, descrive con successo l'attuale epoca di accelerazione. Il lavoro suggerisce che la geometria dello spaziotempo sia più ricca e complessa di quanto precedentemente pensato, portando con sé il potenziale per rivelare nuova fisica attraverso gli effetti sottili e accumulati delle torsioni cosmiche sulla luce che viaggia attraverso l'immensità dello spazio.