Espansione cosmica e teoria della relatività generale di Einstein

Una rappresentazione dell’evoluzione dell’universo nel corso di 13,77 miliardi di anni. L’estrema sinistra raffigura il primo momento che possiamo ora esplorare, quando un periodo di “inflazione” ha innescato un’ondata di crescita esponenziale nell’universo. (Il volume è rappresentato dall’estensione verticale del reticolo in questo disegno.) Nei successivi miliardi di anni, l’espansione dell’universo rallentò gradualmente man mano che la materia nell’universo veniva spinta su se stessa dalla gravità. Di recente, l’espansione ha ricominciato ad accelerare mentre gli effetti repulsivi dell’energia oscura dominano l’espansione dell’universo. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

I ricercatori studiano l’espansione cosmica utilizzando metodi della fisica multicorpo.

Si presume sempre nei resoconti cosmologici che vi sia un’equa distribuzione della materia nell’universo. Questo perché i calcoli sarebbero molto complicati se si includesse la posizione di ogni stella. L’universo, infatti, non è uniforme: in alcuni luoghi ci sono stelle e pianeti, in altri c’è solo il vuoto.

I fisici Michael T. Frogt e il professor Rafael Witkowski dell’Istituto di fisica teorica e del Centro per le nanoscienze morbide (SoN) di Università di Münster Insieme al fisico Dr. Sabenhausenfelder dell’Istituto di studi avanzati di Francoforte (FIAS), ha sviluppato un nuovo modello per questo problema. Il loro punto di partenza era il formalismo Mori-Zwanzig, un modo di descrivere sistemi costituiti da un gran numero di particelle con un piccolo numero di misurazioni. I risultati dello studio sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica.

Contesto: la teoria della relatività generale di Albert Einstein è una delle teorie di maggior successo nella fisica moderna. Ad essa sono stati associati due degli ultimi cinque Premi Nobel per la Fisica: nel 2017 per la misurazione onde gravitazionaliE nel 2020 per scoprire a Buco nero nel mezzo via Lattea. Una delle applicazioni più importanti della teoria è descrivere l’espansione cosmica dell’universo poiché la grande esplosione. La velocità di questa espansione è determinata dalla quantità di energia nell’universo. Oltre alla materia visibile, sono la materia oscura e l’energia oscura che giocano un ruolo qui, almeno secondo il modello Lambda-CDM attualmente utilizzato in cosmologia.

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“A rigor di termini, è matematicamente sbagliato includere il valore medio della densità di energia dell’universo nelle equazioni della relatività generale”, afferma Sabine Hosenfelder. La domanda ora è quanto sia “cattivo” questo bug. Alcuni esperti lo considerano irrilevante, altri lo vedono come la soluzione del mistero dell’energia oscura, la cui natura fisica è ancora sconosciuta. La distribuzione irregolare della massa nell’universo può avere un effetto sulla velocità dell’espansione cosmica.

“Il formalismo di Morri-Zwanzig è utilizzato con successo in molte aree di ricerca, dalla biofisica alla fisica delle particelle, quindi ha anche fornito un approccio promettente a questo problema astrofisico”, afferma Raphael Witkowski. Il team ha generalizzato questo formalismo in modo che potesse essere applicato alla relatività generale, ricavando così un modello di espansione cosmica che tenga conto della distribuzione irregolare della materia nell’universo.

Il modello fornisce una previsione concreta dell’effetto della cosiddetta eterogeneità sulla velocità di espansione dell’universo. Questa previsione si discosta leggermente da quella fatta dal modello Lambda-CDM e offre quindi l’opportunità di testare empiricamente il nuovo modello. “Attualmente, i dati astronomici non sono abbastanza accurati per misurare questa deflessione, ma i progressi significativi che sono stati fatti – ad esempio, nella misurazione delle onde gravitazionali – ci danno motivo di sperare che questo cambierà”, afferma Michael T. Frogt. Il formalismo di Mori-Zwanzig si basa su altri problemi astrofisici, quindi il lavoro non riguarda solo la cosmologia”.

Riferimento: “Morri Zwanzig formalità della relatività generale: un nuovo approccio al problema della media” di Michael T. Frogt, Sabine Hosenfelder e Raphael Witkowski, 1 dicembre 2021, disponibile qui. Lettere di revisione fisica.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.127.231101

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Finanziamento: Michael te Vrugt riceve un finanziamento sotto forma di una borsa di studio di dottorato dalla Studienstiftung des deutschen Volkes (Fondazione accademica tedesca). Sabine Hüssinfelder riceve un sostegno finanziario dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG, HO 2601/8-1). Il gruppo di lavoro Wittkowski è anche finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG, WI 4170/3-1).

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