Due gruppi di ricercatori, uno in Europa e l’altro negli Stati Uniti, hanno costruito, indipendentemente, una simulazione dell’Universo utilizzando, per la prima volta, la teoria completa della relatività generale. I due codici numerici, ottenuti dal gruppo appartenente alla Case Western Reserve University e al Kenyon College, in Ohio, e dall’altro gruppo frutto invece di una collaborazione tra Marco Bruni dell’Institute of Cosmology and Gravitation, a Portsmouth , e Eloisa Bentivegna, ricercatrice all’Università di Catania, permetteranno di realizzare modelli di Universo quanto più possibile accurati e forniranno nuovi indizi sulla natura della gravità e i suoi effetti. I risultati sono stati menzionati come Editors’ Suggestion sia da Physical Review Letters che da Physical Review D e sono inoltre apparsi in una sinossi sul sito web dell’American Physical Society (APS).
Da quando venne formulata circa un secolo fa, la teoria di Einstein rimane tuttora la migliore descrizione della gravità. Essa ha superato in maniera consistente tutta una serie di test con precisione elevata nell’ambito del Sistema solare, predicendo con successo fenomeni come le onde gravitazionali, rivelate all’inizio di quest’anno dall’esperimento LIGO (vedasi LIGO: cosa c’è dietro la scoperta). Tuttavia, dato che le equazioni sono alquanto complicate, i fisici sono stati costretti a semplificare la teoria quando viene applicata all’intero Universo.
Marco Bruni. Crediti: Institute of Cosmology and Gravitation, Portsmouth
Nei due nuovi codici viene utilizzata la teoria completa della relatività generale per tener conto degli effetti che portano la materia ad aggregarsi in alcune regioni dello spazio anzichè in altre. «Si tratta di uno sviluppo davvero entusiasmante che permetterà ai cosmologi di creare un modello di Universo quanto più possibile accurato», spiega Bruni. «Nel corso della prossima decade ci aspettiamo una enorme quantità di dati dalle osservazioni delle galassie che saranno realizzate mediante telescopi e satelliti di nuova generazione, estremamente potenti, in modo da ottenere misure con elevata precisione dei parametri cosmologici, un’area dove il nostro istituto ha un ruolo importante».
«Per far questo», continua Bruni, «abbiamo bisogno di predizioni teoriche che non siano soltanto precise ma anche accurate allo stesso livello. Questi codici numerici non solo permettono di applicare appieno la teoria di Einstein e di ottenere un elevato livello di accuratezza, ma in futuro potrebbero rappresentare un punto di partenza per qualsiasi lavoro di ricerca che parte da assunzioni semplicistiche».
Uno degli obiettivi di questo lavoro è quello di comprendere se le strutture su piccola scala producano effetti su larga scala nell’Universo. I due gruppi hanno trovato che ciò sembra essere il caso, anche se essi presentano dei test concreti che mostrano alcune deviazioni da un modello semplificato. I ricercatori affermano che le simulazioni che utilizzano appieno la potenza della relatività generale sono la chiave per ottenere risultati più accurati e, forse, una nuova e più profonda comprensione della natura.
«Nessuno ha mai affrontato prima il problema nella sua complessità», dice Glenn Starkman del gruppo americano. «Questi risultati rappresentano un passo in avanti grazie al fatto che abbiamo potuto sfruttare nella sua completezza la teoria di Einstein per costruire un modello di Universo, senza avere la necessità di introdurre assunzioni non garantite di simmetria o regolarità. L’Universo non si basa su queste assunzioni, per cui neanche noi dovremmo alla fine considerarle».
L’immagine mostra una visualizzazione delle galassie che fluttuano nello spaziotempo curvo, così come realizzato dalla simulazione del gruppo americano. Crediti: James Mertens
I due gruppi hanno sviluppato indipendentemente un programma per applicare le equazioni di campo della relatività in modo da descrivere le relazioni complesse tra il contenuto della materia e la curvatura dello spaziotempo, tenendo conto di miliardi di posizioni, e relativi tempi, nel corso della storia evolutiva dell’Universo. Dopo aver confrontato i risultati di queste due simulazioni con quelle tradizionali prodotte da modelli semplificati, gli scienziati hanno trovato che le approssimazioni vengono meno.
«Il passo successivo sarà ora quello di lavorare molto per comprendere ancora meglio l’importanza delle differenze tra le simulazioni basate sulle equazioni di Einstein e quelle fornite da assunzioni semplicistiche», conclude Bruni. «Alla fine, come del resto succede sempre in fisica, sarà la connessione tra teoria e osservazioni che favorirà ancora meglio la nostra comprensione dell’Universo».
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo su Physical Review Letters: Eloisa Bentivegna and Marco Bruni 2016 – Effects of Nonlinear Inhomogeneity on the Cosmic Expansion with Numerical Relativity
- Leggi il preprint su arXiv: Effects of Nonlinear Inhomogeneity on the Cosmic Expansion with Numerical Relativity
- Leggi la sinossi sul sito web dell’APS: A Relativistic View of a Clumpy Universe