L'espansione dell'Universo è prevista dal modello standard della cosmologia, noto come Lambda-CDM (ΛCDM, dove CDM sta per Cold Dark Matter, ossia Materia Oscura Fredda). Questo modello si basa sulle osservazioni della radiazione cosmica di fondo (CMB), la radiazione elettromagnetica residua del Big Bang che permea tutto l'universo osservabile.
Inoltre, l'espansione dell'universo produce anche effetti rilevabili. Fa sì che le galassie si allontanino le une dalle altre: più sono lontane da noi e più velocemente si muovono. La relazione tra la velocità e la distanza di una galassia è governata dalla famosa "costante di Hubble" (H0), che è di circa 70 chilometri al secondo per Megaparsec (1 pc = 3,26 anni-luce). Ciò significa che una galassia guadagna più di 80.000 chilometri orari per ogni milione di anni luce che si allontana da noi. Ma sfortunatamente c'è una differenza persistente tra il valore della costante misurata con indicatori di distanza, come galassie, supernove di tipo Ia o le stelle variabili Cefeidi e, il suo valore previsto dal bagliore residuo del Big Bang. È ciò che gli scienziati chiamano “tensione di Hubble”.
Quando l'espansione dell'universo viene misurata nel cosmo vicino, la tensione di Hubble è più grande del 10% rispetto a quanto previsto in base alla CMB.
"L'Universo sembra quindi espandersi più velocemente nelle nostre vicinanze – cioè fino a una distanza di circa tre miliardi di anni luce – che nel suo complesso", afferma l'astrofisico Pavel Kroupa dell'Università di Bonn. "E in realtà non dovrebbe essere così".
Una possibile spiegazione, secondo un nuovo articolo pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, è che viviamo in un enorme vuoto cosmico, ossia in un’area con una densità inferiore alla media. Ciò potrebbe gonfiare le misurazioni locali attraverso deflussi di materia dal vuoto, dicono gli autori, che si verificano quando le regioni più dense attorno, esercitando un’attrazione gravitazionale maggiore rispetto alla materia a densità inferiore all’interno del vuoto stesso.
Problemi di gravità
Per testare le proprie idee, il team ha abbandonato il modello standard per rivolgersi alla Dinamica Newtoniana Modificata (MOND).
La MOND è stata originariamente proposta, quattro decenni fa, per spiegare le anomalie nella velocità di rotazione delle galassie, che è ciò che ha portato a ipotizzare l'esistenza dell'enigmatica "materia oscura". MOND suggerisce, invece, che le anomalie possano essere spiegate dalla legge di gravità di Newton che viene meno quando l'attrazione gravitazionale è molto debole, come nel caso delle regioni esterne delle galassie.
"La storia complessiva dell’espansione cosmica nella MOND sarebbe simile al modello standard ma le strutture (come gli ammassi di galassie) crescerebbero più velocemente nella MOND", spiega il team. "Il nostro modello mostra come potrebbe apparire l’universo locale in un universo MOND. E abbiamo scoperto che ciò consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione odierno di fluttuare a seconda della nostra posizione".
In pratica, con la MOND, il Vuoto Locale è molto più facile da risolvere. Ma ci sono problemi significativi anche con questa teoria: però, "vale la pena usarla come strumento per cercare di capire dove si trovano i buchi nella nostra attuale comprensione dell’Universo".
Un test cruciale
Recenti osservazioni delle galassie hanno consentito un nuovo test cruciale del modello basato sulla velocità in diverse zone, proposta dallo studio. Gli autori hanno misurato quello che viene chiamato "flusso di massa", che è la velocità media della materia in una data sfera, densa o meno. Questo varia con il raggio della sfera, con recenti dati che mostrano che continua fino a un miliardo di anni luce.
"Ciò ci ha spinto a vedere cosa prevede il nostro studio per il flusso di massa. Abbiamo scoperto che produce una corrispondenza abbastanza buona con le osservazioni e questo richiede che siamo abbastanza vicini al centro del vuoto e che il vuoto è più vuoto al suo centro".
"I nostri risultati arrivano in un momento in cui le soluzioni popolari alla tensione di Hubble sono in difficoltà. Alcuni credono che abbiamo solo bisogno di misurazioni più precise. Altri pensano che possa essere risolto presupponendo che l’elevato tasso di espansione che misuriamo localmente sia effettivamente quello corretto. Ma ciò richiede una leggera modifica alla storia dell’espansione nell’universo primordiale, in modo che la CMB sembri ancora corretta". Ma ci sono diversi problemi. Per esempio, "se l’universo si espandesse del 10% più velocemente nel corso della stragrande maggioranza della storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% più giovane, contraddicendo l’età delle stelle più antiche".
L’esistenza di un vuoto locale profondo ed esteso nel conteggio dei numeri della galassia e i rapidi flussi di massa osservati suggeriscono fortemente che la struttura cresce più velocemente di quanto previsto nella ΛCDM su scale da decine a centinaia di milioni di anni luce. "È interessante notare che sappiamo che il massiccio ammasso di galassie El Gordo si è formato troppo presto nella storia cosmica e ha una massa e una velocità di collisione troppo elevate per essere compatibile con il modello standard. Questa è un’ulteriore prova del fatto che la struttura si forma troppo lentamente in questo modello", dicono gli autori. Quindi, "poiché la gravità è la forza dominante su scale così grandi, molto probabilmente avremo bisogno di estendere la teoria della gravità di Einstein, la Relatività Generale, ma solo su scale più grandi di un milione di anni luce".