Calcolando il raggruppamento di oltre 70000 galassie, che si estendono per quasi un terzo dello spazio verso il limite dell'Universo e analizzando la loro velocità e distorsione, i ricercatori hanno dimostrato che la teoria di Einstein spiega l'Universo meglio di altre teorie alternative sulla gravità.
Una conseguenza importante di questo nuovo studio è che, l'esistenza della materia oscura è la spiegazione più probabile per il movimento delle stelle, delle galassie e degli ammassi di galassie come se fossero sotto l'influenza di una massa invisibile. "La cosa bella su scala cosmologica è che siamo in grado di testare al massimo la teoria alternativa della gravità, perché dovrebbe prevedere le cose che osserviamo," ha detto il co-autore Uros Seljak, un professore di fisica e di astronomia all'Università di Berkeley, scienziato di facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e professore di fisica presso l'Istituto di Fisica Teorica presso l'Università di Zurigo. "Quelle teorie alternative che non richiedono la materia oscura non superano i test".
In particolare, la teoria del tensore-gravità-vettore scalare (Teves), che evita di ricorrere all'esistenza della materia oscura, non supera il test. I risultati ottenuti divergono con una relazione dell'anno scorso la quale sosteneva che l'Universo, tra gli 8 e gli 11 miliardi di anni fa, si era discostato dalla descrizione generale relativistica della gravità.
La Teoria della Relatività Generale di Einstein ritiene che lo spazio ordini gravità e tempo, il che significa che piega la luce che passa nei pressi di un oggetto massiccio, come il nucleo di una galassia. La teoria è stata convalidata numerose volte sulla scala del Sistema Solare, ma i test su una scala cosmica galattica sono stati inconcludenti. "Ci sono alcune prove grezze e imprecise della relatività generale su scala galattica, ma non abbiamo buone previsioni delle altre teorie in competizione," ha detto Seljak.
Tali prove sono diventate importanti in questi ultimi decenni, perché l'idea che una massa invisibile permea l'Universo, disturba alcuni teorici e ha spinto a modificare la relatività generale per sbarazzarsi della materia oscura. Teves, per esempio, dice che l'accelerazione causata dalla forza gravitazionale di un corpo non dipende solo dalla massa di quel corpo, ma anche dal valore della sua accelerazione causata dalla forza di gravità. La scoperta dell'energia oscura, una forza enigmatica che causa l'espansione dell'universo per accelerazione, ha portato ad altre teorie, come quella soprannominata f (R), per spiegare l'espansione senza ricorrere all'energia oscura.
I test per distinguere le teorie concorrenti non sono facili, Seljak detto. Un cosmologo teorico, ha osservato che gli esperimenti cosmologici, come rilevamenti di radiazione cosmica di fondo, in genere, comportano le misurazioni delle fluttuazioni nello spazio, mentre le teorie della gravità prevedono i rapporti tra la densità e la velocità, o tra la densità e il potenziale gravitazionale. "Il problema è che la dimensione della fluttuazione, di per sé, non ci dice nulla delle sottostanti teorie cosmologiche. Si tratta sostanzialmente di un fastidio di cui vorremmo sbarazzarsi" Seljak detto. "La novità di questa tecnica è che si guarda una particolare combinazione di osservazioni che non dipende dalla grandezza delle fluttuazioni. La quantità è una pistola fumante per le deviazioni dalla relatività generale."
Tre anni fa, un team di astrofisici guidati da Pengjie diellìOsservatorio di Shanghai Zhang ha suggerito di utilizzare un quantitativo come modello per testare i modelli cosmologici. EG riflette la quantità di ammassi nelle galassie osservate e la quantità di distorsione delle galassie causate dalla deviazione della luce che passa attraverso la materia, un processo noto come lente debole. La lente debole può fare un giro ellittico attorno alla galassia, per esempio.
"In parole povere, EG è proporzionale alla densità media dell'Universo e inversamente proporzionale al tasso di crescita della struttura dell'Universo", ha detto. "Questa combinazione particolare si sbarazza delle fluttuazioni di ampiezza e si concentra direttamente sulla combinazione particolare che è sensibile alle modifiche della relatività generale".
Utilizzando i dati su più di 70.000 oggetti luminosi e distanti, come le galassie rosse dalla Sloan Digital Sky Survey, Seljak e i suoi colleghi hanno calcolato EG e lo hanno confrontato con le previsioni di Teves, f (R) e il modello della materia oscura fredda della relatività generale potenziata con una costante cosmologica, per spiegare l'energia oscura. Le previsioni di Teves erano al di fuori dei limiti di errore di osservazione, mentre la relatività generale ben si è adattata agli errori sperimentale. La EG predetta da f (R) è stata leggermente inferiore a quello osservato, ma entro il margine di errore.
Nel tentativo di ridurre l'errore e quindi testare le teorie che evitano la presenza dell'energia oscura, Seljak spera di espandere la sua analisi a circa un milione di galassie con il SDSS-III Baryon Oscillazione Spectroscopic Survey (BOSS), guidato da un team di LBNL e UC Berkeley, in circa cinque anni. Per ridurre ancora di più l'errore, entro il fattore 10, è richiesto uno studio ancora più ambizioso chiamato BigBoss, che è stato proposto dai fisici a LBNL e UC Berkeley.
Le future missioni spaziali, come il Dark Energy Mission (JDEM) della NASA e la missione Euclide dell'Agenzia spaziale europea, forniranno anche i dati per una migliore analisi, anche se forse tre 10 o 15 anni. Seljak ha notato che questi test non dicono agli astronomi la reale identità della materia oscura e dell'energia oscura, che può essere determinata solo da altri tipi di osservazioni, come gli esperimenti di rilevazione diretta.
a cura di Arthur McPaul
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