Viviamo in una bolla di vuoto cosmico?

Tratto dal libro di Corrado Ruscica Idee sull'Universo (Macro Edizioni, 2010).

Il fatto che viviamo oggi in un Universo spazialmente piatto è una conseguenza del modello inflazionario che ipotizza un periodo di rapida espansione, subito dopo il Big-Bang, durante il quale sono emerse fluttuazioni quantistiche della densità di energia da scale subatomiche fino alle dimensioni cosmiche. Per circa 20 anni, questo modello è stato considerato come la teoria di punta per spiegare la struttura dell’Universo. Infatti, l’inflazione determinò la formazione di piccole disomogeneità nella distribuzione di materia, osservate come piccole variazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo, che hanno portato poi alla formazione delle strutture. La gravità dovuta alla materia scura guidò successivamente la formazione di queste strutture che vediamo oggi sottoforma di galassie e ammassi di galassie. Però verso la metà degli anni ‘90 fu notato che il livello dell’addensamento di materia previsto differiva da quello misurato. Ancora peggio, l’età dell’Universo sembrava molto più giovane dell’età delle stelle più vecchie. Fu intorno al 1995 che si capì come queste contraddizioni sarebbero scomparse se l’energia del vuoto teneva conto di circa 2/3 della densità critica. Dieci anni più tardi, le cose sembrarono andare nel posto giusto. La costante cosmologica, oltre a spiegare l’attuale accelerazione cosmica e il periodo iniziale di decelerazione, portava l’età dell’Universo a quasi 14 miliardi di anni fa e teneva conto esattamente della quantità di energia per ottenere una densità critica. Attualmente, i teorici non sono in grado di sapere se questa energia provenga dal vuoto quantistico. Il problema attuale è quello di capire perchè l’energia del vuoto è diversa da zero e allo stesso tempo perchè è talmente piccola che i suoi effetti sono diventati rilevanti circa 5 miliardi di anni fa.

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Una ipotesi alternativa al problema dell’espansione accelerata dell’Universo è stata avanzata di recente da Georgi Dvali secondo il quale l’esistenza delle dimensioni extra della teoria delle stringhe potrebbe rappresentare quel termine aggiuntivo delle equazioni della relatività che ha come effetto appunto l’espansione accelerata. Ma forse, un’idea più radicale è che l’energia scura non esiste affatto e che la teoria della gravità di Einstein va rivista. Infatti, alcuni scienziati hanno avanzato di recente un’ipotesi alternativa, diciamo più “leggera”, per spiegare l’espansione accelerata dell’Universo.
L’idea che sta alla base di questa ipotesi riguarda l’assunzione che la nostra posizione nella Via Lattea si trovi in una regione rappresentativa dell’Universo. Se, ad esempio, rinunciamo al princìpio cosmologico in base al quale l’Universo spazialmente ha densità uniforme (omogeneità) e appare
uguale in ogni direzione (isotropia), gli effetti osservati dell’espansione accelerata dell’Universo restano ugualmente immutati? Lo scenario proposto da George Ellis e collaboratori prevede la possibilità che la nostra posizione sia situata in un gigantesco vuoto cosmico, o bolla cosmica, cioè è come se vivessimo in una regione dell’Universo, non completamente priva di materia, dove la densità media è la metà o addirittura meno rispetto alla densità di materia totale.
Dato che l’espansione dell’Universo è funzione della quantità di materia che determina un effetto di attrazione e perciò frena lo spaziotempo a causa della gravità, più è vuota una regione dello spazio meno materia contiene per rallentare l’espansione. Questo implica che il tasso di espansione locale dell’Universo diventi maggiore che altrove e diminuisce in prossimità dei bordi del vuoto cosmico dove gli effetti della densità di materia diventano più significativi. Quindi, regioni dello spazio si espanderanno a velocità diverse così come succede ai palloncini delle feste quando si gonfiano in maniera non uniforme. Tuttavia, secondo alcuni scienziati l’esistenza di giganteschi vuoti cosmici sembra improbabile poiché non spiegherebbe 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, mentre nel secondo caso le osservazioni attuali non sono abbastanza profonde da escludere definitivamente l’esistenza di un vuoto di dimensioni tali da produrre gli effetti attribuiti all’energia scura. Certamente occorre verificare l’esistenza o meno di queste strutture per poter discriminare se l’espansione dell’Universo sia guidata dall’energia scura o se viviamo in un luogo davvero speciale, cioè una gigantesca bolla cosmica. In conclusione, fino ad oggi
nessun gruppo di ricercatori ha individuato l’esistenza di un vuoto cosmico e sembra certo che i prossimi dati del satellite Planck potranno fissare limiti più forti sull’anisotropia della radiazione cosmica di fondo per escludere o confermare l’esistenza di queste particolari strutture cosmiche.

Tratto dal libro di Corrado Ruscica Idee sull'Universo (Macro Edizioni, 2010).