L'energia oscura, realtà fisica o illusione?

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Il modello standard della cosmologia, al contrario del modello standard delle particelle elementari, non gode di una grande generalità: è basato sulla classe di soluzioni più semplice possibile delle soluzioni delle equazioni della Relatività Generale di Einstein che descrivono la forza di gravità e legano la distribuzione della materia alle proprietà geometriche dello spazio-tempo. In particolare l’assunzione basilare riguarda il fatto di approssimare la materia come un fluido perfettamente omogeneo.

materia oscura
#LLL# Distribuzione tridimensionale delle galassie
dal catalogo SDSS (http://www.sdss.org).
Ogni punto è una galassia la forma a "farfalla"
è dovut al fatto che le osservazioni sono fatte
dalla Terra verso l’emisfero nord e sud galattico.
Si può chiaramente identificare la rete
di strutture, filamenti e vuoti che formano
le galassie a grande scala nell’universo.
Una distribuzione omogenea sarebbe
connotata dall’assenza di strutture e le galassie
sarebbero distribuite in modo perfettamente
uniforme. (Fonte: Rien van de Weygaert,
Erwin Platen arXiv:0912.2997v1)

E’ chiaro che le proprietà dell’universo reale, caratterizzato da grandi strutture di galassie e dunque da grandi fluttuazioni di massa (vedi figura), potrebbero non essere descritte da una tale idealizzazione semplificata. Il punto chiave dal punto di vista teorico riguarda il fatto se una distribuzione di materia disomogenea come quella che si osserva nella distribuzione a larga scala delle galassie possa essere descritta, ed in che modo, in termini di medie spaziali delle equazioni di Einsitein. Ovvero da medie su volumi abbastanza grandi da poter considerare che le fluttuazioni di materia siano statisticamente le stesse in ogni volume. Questa questione è ora al centro di una vivace discussione nell’ambito della letteratura cosmologica per le importanti implicazioni che ha riguardo l’interpretazione dei dati forniti dalle osservazioni. 

Nel modello standard cosmologico, per spiegare i dati osservativi e renderli compatibili con le previsioni teoriche è necessario ipotizzare l’esistenza di due costituenti fondamentali la cui origine e le cui proprietà sono del tutto sconosciute: la materia oscura e l’energia oscura (o costante cosmologica). Questa ultima sarebbe una forma di energia repulsiva alla gravità che dovrebbe fornire i ¾ della densità di massa ed energia dell’universo. La materia oscura dovrebbe invece avere delle proprietà che vanno al di là di quanto predetto dal modello standard delle particelle elementari e dovrebbe fornire circa ¼ della densità di massa energia dell’universo. In questo scenario l’ordinaria materia barionica (protoni, neutroni ecc.) fornirebbe solo il 5% della densità dell’universo. Tuttavia è bene notare che le proprietà e l’abbondanza di materia ed energia oscura derivano proprio da quel 5% che possiamo osservare sotto forma di radiazione luminosa. Mentre le evidenze dirette della presenza di materia non barionica ed energia oscura sono molto labili, il loro ruolo di primaria importanza nei modelli cosmologici viene proprio assegnato da motivazioni teoriche che in ultima analisi provengono dall’aver risolto le equazioni di Einstein con le più semplici assunzioni possibili. Per questo motivo negli ultimi anni si è assistito a una grande sviluppo di ricerche teoriche nel campo dei modelli disomogenei. 

Questa attività si può schematizzare in due grandi filoni. Da una parte ci sono dei tentativi di usare delle assunzioni particolari riguardo le proprietà del campo di densità che genera il campo gravitazionale. Per esempio si è ipotizzato che la nostra galassia si trovi in prossimità del centro di un grande vuoto il cui effetto è quello di distorcere proprietà geometriche dello spazio tempo in modo tale da simulare l’effetto dell’energia oscura. Ovvero, in questo scenario l’energia oscura sarebbe il risultato dell’interpretazione secondo i modelli standard di una distribuzione di materia disomogenea ma a simmetria sferica. Questo modello ha lo “svantaggio” di introdurre un punto “privilegiato” che è il centro del vuoto. In una teoria cosmologica post-copernicana si vuole invece l’equivalenza di tutti gli osservatori e l’assenza di un centro o di una di direzione privilegiata. Tuttavia si può generalizzare questo modello supponendo che vi siano tanti vuoti e che per “caso” la nostra galassia si trovi vicino al centro di uno di questi. Insomma, le soluzioni delle equazioni di Einstein per una distribuzione di materia arbitraria sono molto difficili da trovare e si fa quel che si può, ovvero ipotesi semplificatrici molto forti. Tuttavia il modello standard è proprio basato sulle assunzioni più semplificatrici possibili!

L’altro filone, che è stato aperto e perseguito con grande determinazione da Thomas Buchert dell’università di Lione, ha un approccio al problema diverso. Da una parte si tiene la validità del Principio Copernicano secondo il quale la distribuzione di materia è statisticamente omogenea ed isotropa, e dunque non vi sono osservatori o direzioni privilegiate. Dall’altra parte di rilassa l’assunzione di una perfetta omogeneità spaziale della materia, ovvero si ammette la possibilità che vi siano delle disomogeneità nella distribuzione di massa, proprio come viene osservato nella configurazione delle galassie a grande scala nell’universo. A questo punto si risolvono le equazioni di Einstein considerando delle medie di volume, su dei volumi sufficientemente grandi da mediare l’effetto delle disomogeneità, e si derivano delle nuove equazioni che descrivono il comportamento medio delle proprietà dello spazio tempo e della sua evoluzione temporale. Il risultato più notevole riguarda proprio il fatto che le fluttuazioni della materia danno luogo a un termine aggiuntivo (backreaction) rispetto alle equazioni derivate assumendo un fluido perfettamente omogeneo. Il termine di backreaction ha lo stesso ruolo, nelle equazioni, della costante cosmologica dei modelli standard e gioca lo stesso ruolo da un punto di vista dinamico. Dunque in questo modello l’energia oscura potrebbe essere spiegata dall’effetto delle fluttuazioni di materia. Non vi sono ancora delle previsioni quantitative che possano permettere l’elaborazione di un modello sofisticato come il modello standard e la ricerca in questo campo è attualmente una delle frontiere della cosmologia moderna. Ma le implicazioni potrebbero essere dirompenti non solo per la comprensione dell’energia oscura ma anche nell’interpretazione dei diversi dati forniti dalle osservazioni, compreso un ridimensionamento dell’abbondanza e del ruolo dinamico della materia oscura non barionica.

Amanda Gefter Dark energy may just be a cosmic illusion” 07 March 2008 New Scientist
Wiltshire, D.L., Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 251101
Buchert, T. Gen.Rel.Grav. 40 (2008) 467
Timothy Clifton and Pedro G. Ferreira Does Dark Energy Really Exist? Or does Earth occupy a very unusual place in the universe?” April 2009 Scientific American Magazine
Timothy Clifton and Pedro G. Ferreira Physical Review Letters, 101, 131302, 2009

Commenti

ritratto di Franco Brezzi

Il termine di backreaction esce dalla nonlinearità come una specie di viscosità turbolenta?

ritratto di Francesco Sylos Labini

La backreaction viene fuori dalle medie di volume delle equazioni di Einstein e la questione non è di facile comprensione soprattutto per chi non ha un background in GR di un certo rilievo. Per come l'ho capito io questo viene fuori da una sorta di accoppiamento non lineare delle fluttuazioni di materia alla metrica e non so bene se si possa trattare come una viscosità turbolenta. Nella equazione del moto ha lo stesso segno della costante cosmologica ed in genere un termine viscoso è proporzionale alla velocità, dunque in questo senso non direi che ci sia una connessione diretta, ma potrebbe essere che mi sbagli: in GR le cose sono altamente non intuitive!

Sto lavorando sulla questione in collaborazione con Thoams Buchert ed in particolare sto mettendo a punto delle simulazioni numeriche gravitazionali dove sicuramente un effetto di  backreaction è presente nel limite newtoniano. Con queste simulazioni si possono studiare numericamente gli effetti non lineari delle equazioni di Einstein, in una sorta di toy model ipersemplificato che però ha almeno alcuni elementi interessanti che possono servire come riferimento per l'esplorazione teorica. Infatti nulla è veramente chiaro, ci sono tante ambiguità che davvero toccano le fondamenta della GR. Ci sono autori (Wilthsire) che ad esempio considerano che la backreaction sia da considerare insieme a una non sincoronizzazione del  tempo in diverse posizioni per effetto delle fluttuazioni spaziali. In conclusione è un problema interessantissimo, denso di problemi concettuali e risvolti importanti. I nostri lavori sulla distribuzione della materia sono stati una delle motivazione, insieme alle SN, per questo tipo di  sviluppi.

ritratto di Franco Brezzi

GASP! Io chiedevo solo se, grossolanamente, il termine usciva dalla nonlinearità (per cui, se "m" è la media e "d" la deviazione dalla media, f(m+d) è diverso da f(m)+f(d)) come succede per i termini convettivi (quadratici) nelle equazioni di Navier-Stokes (che appunto, con opportuni massaggi, producono una specie di viscosità turbolenta quando si fa la "Large Eddy Simulation").
Purtroppo di Relatività Generale non so una mazza (anche se mi piacerebbe molto).
Magari quando andrò in pensione...   :-)))

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Il delirio di onnipotenza di un medico di campagna

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Il film di Thomas Lilti Il medico di campagna, da tempo nelle sale cinematografiche, racconta di un dottore della provincia francese che esercita, indefesso, il suo mestiere oscuro ed eroico, perfino quando gli viene diagnosticato un tumore al cervello, elargendo consigli di salute e di vita, conforto e speranza e avendo in odio il lavoro di gruppo, i computer e gli ospedali stessi. Infatti, vede come un’ingerenza la collaborazione che gli offre una collega, scrive a mano appunti sui malati che poi cela gelosamente dove lui solo sa ritrovarli e preferisce mantenere i suoi assistiti lontano dalle corsie.

Poiché ogni film è un’opera d’arte, il suo autore ha il diritto di disegnare il protagonista come meglio crede e anche di circondarlo di un’aureola di santità; non è, però, un bene, per il pubblico coltivare la convinzione che gran parte dei guai della sanità italiana sarebbero ridimensionati, se tutti i medici di famiglia assomigliassero al dottor Jean-Pierre Werner.

E’ vero: la maggior parte degli spettatori (così come dei critici cinematografici) è composta da pazienti potenziali o effettivi che possono desiderare di ricevere le cure di un medico/genitore al punto di perdonargli il paternalismo e l’autoreferenzialità che fanno da contorno.

Chi, però, ha alle spalle più di 35 anni di medicina di famiglia, guarda alla figura del collega cinematografico con maggiore senso critico: sono tanti i colleghi coetanei che, come il dottor Jean-Pierre, hanno praticato, nei primi anni del loro ingresso nel Servizio sanitario, una medicina senza orari, senza tregua, senza prezzo, che, però, era, al contempo, una medicina senza confronto tra pari, senza una registrazione dei dati cui altri (sostituti, successori, medici ospedalieri) potessero accedere e, in definitiva, senza concessione al paziente del primato sulla sua salute.

L’esercizio eroico della medicina ha sempre un fascino irresistibile: lo testimoniano il moltiplicarsi delle serie televisive a partire da quella sulla famosa Emergency Room del County Hospital di Chicago, dove tutti i momenti si facevano respirare gli asfissiati con la tracheotomia, ripartire cuori in arresto (“libera!”) e nascere bambini in presentazione podalica. Due veri medici di Pronto Soccorso, A Ross e H Gibbs, consulenti di Michael Crichton per la sceneggiatura di ER, hanno poi scritto in un libro che l’altruismo dei personaggi era realistico, ma che “se i dottori si comportassero così nel mondo reale, emergerebbero gravi responsabilità e seri grattacapi che farebbero venire gli incubi agli amministratori”.

L’altruista medico di campagna francese che sfida gli elementi della natura, i dissesti stradali e la propria caducità per lenire le altrui sofferenze, ha un modello di riferimento nel libro “Appunti di un giovane medico” di Michail Bulgakov. Si tratta di una raccolta di otto avvincenti racconti autobiografici che narrano il cimento con la malattia e con la morte di un neolaureato del 1916 mandato a coprire un posto vacante in un remoto governatorato russo, dove riscuoterà la riconoscenza dei suoi molti beneficati

Nel film, il figlio del medico di campagna, dice: “Mio padre, da queste parti, è come un dio che regge le sorti della comunità; quando non ci sarà più, anche la comunità finirà”. Ma i medici di famiglia proiettati nel futuro, che non intendono affatto abdicare alla cura della persona anche nei suoi aspetti psicologici e sociali, sanno, invece, che l’interesse del paziente sta nell’essere trattato non solo con il maggior calore umano, ma con la miglior certezza scientifica e con le più avanzate tecnologie disponibili.

Nessun medico di buona volontà, solo in mezzo a un campo, è in grado di salvare un uomo con l’arteria femorale tranciata, come fa credere il film: per fare il miracolo occorre un efficiente 118 e un chirurgo vascolare con annessa sala operatoria.

E quando un medico lascia la professione, per pensionamento o peggio, nessuna comunità dovrà estinguersi o patirne, se egli avrà lasciato, a chi lo rimpiazza, cartelle cliniche dettagliate ed esplicative e pazienti che confidano non nella sua persona, ma in una medicina responsabile e in una sanità realmente democratica.