Due modelli al computer per il cosmo descritto da Einstein

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La cosmologia relativistica entra far parte appieno dei modelli che descrivono l’universo grazie a programmi per computer scritti da due gruppi di ricerca che fanno a meno delle semplificazioni in uso da un secolo. Questi modelli confermano che le strutture a piccola scala influenzano quelle su larga scala, ma la descrizione qualitativa dell’evoluzione dell’universo rimane inalterata.

Pubblicata più di un secolo fa, la teoria generale della relatività di Albert Einstein è la migliore teoria della gravitazione formulata, ed è un modello coerente per descrivere nascita ed evoluzione dell’universo. Le previsioni della relatività generale, inoltre, sono state verificate numerose volte e con grande precisione, anche grazie alla recente rivelazione delle onde gravitazionali da parte della collaborazione LIGO-Virgo.

Tuttavia è ancora aperta una questione significativa, che riguarda le semplificazioni che si fanno per applicare il modello teorico alle condizioni reali dell’universo e per trovare le soluzioni alle complesse equazioni della relatività generale. Una di queste semplificazioni, per esempio, richiede che la materia sia uniformemente distribuita nello spazio, mentre è evidente che può essere concentrata per esempio in pianeti e galassie.

Per spiegare l’esistenza di questi ultimi, i cosmologi ipotizzano che inizialmente vi fossero regioni dell’universo con un eccesso di densità di massa, ma solo su piccola scala, mantenendo per il resto dell’universo l’ipotesi di una distribuzione uniforme. Il progresso della tecnologia non ha cambiato sostanzialmente la situazione, poiché i calcoli completi delle equazioni relativistiche sono difficili anche per i supercomputer.

Due modelli al computer per il cosmo descritto da Einstein
Simulazione dell’universo primordiale, in cui la materia si addensa (zone scure) per effetto della sua stessa gravità (James Mertens/CWRU)

Ora, due gruppi indipendenti di ricerca hanno esaminato la questione con approcci simili, scrivendo codici per computer che hanno generato la più accurata rappresentazione mai prodotta della cosmologia relativistica. Entrambi gli approcci hanno confermato che le strutture su piccola scala producono effetti alle scale più grandi, anche se non sono evidenti cambiamenti qualitativi sui meccanismi di espansione del cosmo.

Nel primo articolo, pubblicato su “Physical Review Letters”, Eloisa Bentivegna dell’Università di Catania e colleghi hanno posto l’accento sulla formazione di strutture con una densità di massa molto più elevata del normale.

In questo modo, gli autori hanno scoperto che il tasso di espansione dell’universo varia da punto a punto: nelle regioni di massa più densa, è del 28 per cento più elevato del valore medio. D’altra parte, le regioni ad alta densità iniziano il collasso gravitazionale, il processo in cui la massa si concentra sempre più per effetto della propria forza di gravità, in un tempo più breve rispetto a quanto previsto da altri modelli. Questo potrebbe avere importanti implicazioni per le teorie della formazione delle prime galassie e di strutture ancora più grandi.

“Il nostro approccio permette di comprendere una più ampia classe di effetti osservativi che emergono con maggiore probabilità in una cosmologia di precisione”, ha spiegato Bentivegna.

Nel secondo articolo, pubblicato su “Physical Review D”, Glenn Starkman della Case Western Reserve University di Cleveland, in Ohio, e colleghi si sono concentrati sulla modalità di espansione dell’universo, usando alcuni metodi di calcolo numerico relativistico sviluppati per lo studio di oggetti estremi del cosmo come i buchi neri e oggetti compatti, come le stelle di neutroni.

Il punto di partenza dello studio è stato un modello di “universo giocattolo” (toy universe) contenente una distribuzione di materia coerente con le osservazioni, lasciato evolvere secondo le leggi della relatività generale. In questo modo Starkman e colleghi hanno scoperto differenze localizzate nell’evoluzione rispetto ai modelli relativistici convenzionali. Inoltre gli autori hanno analizzato anche la curvatura del cosmo, che si produce in prossimità delle masse, e come questa curvatura influisce sulla propagazione della luce, secondo le previsioni della teoria relativistica.

“Questi articoli sono un importante passo avanti, perché sfruttano l’intero macchinario della relatività generale per modellizzare l’universo, facendo a meno di ipotesi non verificate”, ha concluso Starkman.

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