Questa grande galassia dall'aspetto sfocato è così diffusa che gli astronomi la chiamano una galassia

Gli unici grossi problemi della cosmologia sono i malintesi prodotti

La materia oscura, l'energia oscura, l'inflazione e il Big Bang sono reali e tutte le alternative falliscono in modo spettacolare.

Se stai al passo con le ultime notizie scientifiche, probabilmente avrai familiarità con un gran numero di controversie relative alla natura dell'Universo stesso. La materia oscura, pensata per superare la normale materia atomica con un rapporto 5: 1, potrebbe non essere necessaria e sostituita da una modifica della nostra legge di gravità. L'energia oscura, che costituisce i due terzi dell'Universo, è responsabile dell'espansione accelerata dello spazio, ma il tasso di espansione stesso non è nemmeno concordato. E l'inflazione cosmica è stata recentemente derisa da alcuni come non scientifica, poiché alcuni dei suoi detrattori sostengono che può prevedere qualsiasi cosa, e quindi non predice nulla.

Se li sommi tutti insieme, come ha fatto il filosofo Bjørn Ekeberg nel suo recente articolo per Scientific American, potresti pensare che la cosmologia fosse in crisi. Ma se sei uno scienziato scrupoloso, è vero esattamente il contrario. Ecco perché.

Se guardi sempre più lontano, guardi sempre più lontano nel passato. Prima vai, più caldo e denso, così come meno evoluto, l'Universo risulta essere. I primi segnali possono persino, potenzialmente, dirci cosa è successo prima dei momenti del caldo Big Bang. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

La scienza è più di una semplice raccolta di fatti, sebbene certamente si basi sulla suite completa di dati e informazioni che abbiamo raccolto sul mondo naturale. La scienza è anche un processo, in cui le teorie e le strutture prevalenti si confrontano con il maggior numero possibile di nuovi test, cercando di convalidare o confutare le conseguenti previsioni delle nostre idee di maggior successo.

È qui che si trovano le frontiere della scienza: ai margini della validità delle nostre principali teorie. Facciamo previsioni, usciamo e le testiamo sperimentalmente e osservativamente, quindi vincoliamo, rivediamo o estendiamo le nostre idee per accogliere qualsiasi nuova informazione ottenuta. Il sogno finale di molti è rivoluzionare il modo in cui concepiamo il nostro mondo e sostituire le nostre attuali teorie con qualcosa di ancora più efficace e profondo.

Molto prima che i dati di BOOMERanG tornassero, la misurazione dello spettro del CMB, da COBE, ha dimostrato che il bagliore residuo del Big Bang era un corpo nero perfetto. Una potenziale spiegazione alternativa era quella della luce stellare riflessa, come prevedeva il modello a regime quasi stazionario, ma la differenza nell'intensità spettrale tra ciò che era stato previsto e osservato mostrava che questa alternativa non poteva spiegare ciò che era stato visto. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Ma non è un compito così semplice riprodurre i successi delle nostre principali teorie scientifiche, tanto meno andare oltre i loro attuali limiti. Le persone che sono innamorate di idee in conflitto con osservazioni solide hanno avuto momenti notoriamente difficili a lasciar andare le loro conclusioni preferite. Questo è stato un tema ricorrente in tutta la storia della scienza e comprende:

  • Fred Hoyle si rifiuta di accettare il Big Bang per quasi 40 anni dopo la scoperta del Cosmic Microwave Background,
  • Halton Arp insistendo sul fatto che i quasar non sono oggetti distanti, nonostante decenni di dati dimostrino che i loro spostamenti verso il rosso non sono quantizzati,
  • Hannes Alfven e i suoi seguaci successivi insistono sul fatto che la gravitazione non domina l'Universo su larga scala e che i plasmi determinano la struttura su larga scala dell'Universo, anche dopo che innumerevoli osservazioni hanno confutato l'idea.

Sebbene la scienza stessa possa essere imparziale, gli scienziati no. Possiamo cadere in preda agli stessi pregiudizi cognitivi di chiunque altro. Una volta che abbiamo scelto le nostre conclusioni preferite, spesso ci inganniamo attraverso la pratica fallace del ragionamento motivato.

Diagramma schematico della storia dell'Universo, evidenziando la reionizzazione. Prima che si formassero stelle o galassie, l'Universo era pieno di atomi neutri che bloccano la luce. Mentre la maggior parte dell'Universo non viene reionizzata fino a 550 milioni di anni dopo, con le prime grandi ondate che si verificano a circa 250 milioni di anni, alcune stelle fortunate possono formarsi da 50 a 100 milioni di anni dopo il Big Bang, e con il strumenti giusti, possiamo rivelare le prime galassie. (SG DJORGOVSKI ET AL., CALTECH DIGITAL MEDIA CENTER)

È da lì che nasce il famoso aforisma che "la fisica fa avanzare un funerale alla volta". Questa idea è stata originariamente formulata da Max Planck con la seguente dichiarazione:

Una nuova verità scientifica non trionfa convincendo i suoi avversari e facendo loro vedere la luce, ma piuttosto perché i suoi avversari alla fine muoiono e cresce una nuova generazione che ha familiarità con essa.

Il grande problema che molti non scienziati (e persino alcuni scienziati) non realizzeranno mai è questo: puoi sempre contorcere le tue idee teoriche per costringerle a essere attuabili e coerenti con quanto osservato. Ecco perché la chiave, per qualsiasi teoria, è fare previsioni solide in anticipo: prima che l'osservazione critica o la misurazione vengano eseguite. In questo modo, puoi essere certo che stai testando la tua teoria, piuttosto che armeggiare con i parametri dopo il fatto.

Secondo l'ipotesi della luce stanca, il numero di fotoni al secondo che riceviamo da ciascun oggetto scende proporzionalmente al quadrato della sua distanza, mentre il numero di oggetti che vediamo aumenta come il quadrato della distanza. Gli oggetti dovrebbero essere più rossi, ma dovrebbero emettere un numero costante di fotoni al secondo in funzione della distanza. In un universo in espansione, tuttavia, con il passare del tempo riceviamo meno fotoni al secondo perché devono percorrere distanze maggiori man mano che l'Universo si espande e anche l'energia viene ridotta dal redshift. Anche il factoring nell'evoluzione della galassia si traduce in una luminosità della superficie mutevole che è più debole a grandi distanze, coerente con ciò che vediamo. (UTENTE COMUNE DI WIKIMEDIA STIGMATELLA AURANTIACA)

A quanto pare, questo è esattamente il modo in cui siamo finiti con il principale modello cosmologico che abbiamo oggi, praticamente sotto ogni aspetto.

La nozione di Universo in espansione fu teoricamente prevista da Alexander Friedmann nel 1922, quando derivò quella che io ho chiamato l'equazione più importante dell'Universo. Le osservazioni di Vesto Slipher, Edwin Hubble e Milton Humason lo confermarono solo pochi anni dopo, portando alla moderna nozione dell'Universo in espansione.

Secondo le osservazioni originali di Penzias e Wilson, il piano galattico emetteva alcune fonti di radiazioni astrofisiche (al centro), mentre uno sfondo quasi perfetto e uniforme di radiazioni esisteva sopra e sotto quel piano. La temperatura e lo spettro di questa radiazione sono stati ora misurati e l'accordo con le previsioni del Big Bang è straordinario. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Sono quindi emerse molte spiegazioni in competizione per l'origine dell'Universo, con il Big Bang che ha quattro pietre miliari esplicite:

  1. l'Universo in espansione,
  2. le abbondanze previste degli elementi luminosi, create durante la fase calda, densa e precoce del Big Bang,
  3. un bagliore residuo di fotoni a pochi gradi sopra lo zero assoluto,
  4. e la formazione di strutture su larga scala, con strutture che devono evolversi con la distanza.

Tutti e quattro sono stati osservati, con gli ultimi tre che si sono verificati dopo la prima proposta del Big Bang. In particolare, la scoperta del bagliore residuo dei fotoni a metà degli anni '60 fu il punto di svolta. Poiché nessun altro framework è in grado di spiegare queste quattro osservazioni, ora non ci sono alternative praticabili al Big Bang.

Le fluttuazioni nella CMB, la formazione e le correlazioni tra la struttura su larga scala e le moderne osservazioni del cristallismo gravitazionale, tra le altre, indicano tutte la stessa immagine: un universo in accelerazione, contenente e pieno di materia oscura ed energia oscura. Devono essere prese in considerazione anche alternative che offrono diverse previsioni osservabili, ma confrontate con l'intera serie di prove osservative disponibili. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

Con un universo in espansione e di raffreddamento che è iniziato da uno stato caldo, denso, pieno di materia e radiazioni, tutto governato dalla relatività generale di Einstein, ci sono una serie di possibilità su come l'Universo avrebbe potuto svolgersi, ma non è un infinito numero. Ci sono relazioni tra ciò che è nell'Universo e come si evolve il suo tasso di espansione e ciò limita enormemente ciò che è possibile.

Questa è l'unica affermazione che è inequivocabilmente corretta nel pezzo di Ekeberg.

Una volta accettato il Big Bang e un universo governato dalla relatività generale, esiste un'enorme serie di prove che indicano l'esistenza della materia oscura e dell'energia oscura. Anche questa non è una nuova suite, ma è stata montata dagli anni '70. Il principale concorrente dell'energia oscura è scomparso circa 15 anni fa, lasciando solo un universo con materia oscura ed energia oscura come una cosmologia praticabile per spiegare l'intera serie di prove.

Vincoli sull'energia oscura da tre fonti indipendenti: supernovae, CMB e BAO (che sono una caratteristica della struttura su larga scala dell'Universo.) Si noti che anche senza supernovae avremmo bisogno di energia oscura, e che solo 1/6 del la materia trovata può essere una materia normale; il resto deve essere materia oscura. (SUPERNOVA COSMOLOGY PROJECT, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

Questa è la chiave che è così spesso trascurata: devi esaminare l'intera serie di prove per valutare il successo o il fallimento della tua teoria o struttura. Certo, puoi sempre trovare singole osservazioni che rappresentano una difficoltà per la tua teoria da spiegare, ma ciò non significa che puoi semplicemente sostituirlo con qualcosa che spieghi con successo quell'osservazione.

Devi rendere conto di tutto, oltre alla nuova osservazione, oltre a nuovi fenomeni che non sono stati ancora osservati.

Questo è il problema con ogni alternativa. Ogni alternativa all'Universo in espansione, al Big Bang, alla materia oscura, all'energia oscura o all'inflazione, non riesce nemmeno a rendere conto di ciò che è già stato osservato, e tanto meno del resto. Ecco perché praticamente ogni scienziato che lavora considera queste alternative proposte come un semplice sandboxing, piuttosto che una seria sfida al consenso generale.

La galassia nana Carina, molto simile per dimensioni, distribuzione stellare e morfologia alla galassia nana Draco, mostra un profilo gravitazionale molto diverso da Draco. Questo può essere spiegato chiaramente con la materia oscura se può essere riscaldato dalla formazione stellare, ma non dalla gravità modificata. (ESO / G. BONO e CTIO)

Esistono davvero galassie là fuori senza materia oscura, ma questo è previsto dalla teoria. In effetti, quasi un decennio fa, un importante contrarian ha notato la mancanza di galassie senza materia oscura e ha affermato che falsificava il modello di materia oscura. Quando furono scoperte queste galassie senza materia oscura, quello stesso scienziato affermò immediatamente che erano coerenti con la gravità modificata. Ma solo la materia oscura spiega l'intera serie di prove riguardanti l'Universo.

Vi è, infatti, una discrepanza tra due diversi gruppi di gruppi che cercano di misurare il tasso di espansione dell'Universo. La differenza è del 9% e potrebbe rappresentare un errore fondamentale nella tecnica di un gruppo. Più eccitante, potrebbe essere un segno che l'energia oscura o qualche altro aspetto dell'Universo è più complesso delle nostre assunzioni ingenue. Ma l'energia oscura è ancora necessaria in entrambi i casi; l'unica "crisi" è prodotta artificialmente.

Un diagramma della velocità di espansione apparente (asse y) rispetto alla distanza (asse x) è coerente con un universo che si è espanso più velocemente in passato, ma dove le galassie distanti stanno accelerando oggi nella loro recessione. Questa è una versione moderna di, che si estende migliaia di volte più lontano rispetto all'opera originale di Hubble. Si noti che i punti non formano una linea retta, indicando la variazione della velocità di espansione nel tempo. Il fatto che l'Universo segua la curva che fa è indicativo della presenza e del dominio tardivo dell'energia oscura. (NED WRIGHT, IN BASE AGLI ULTIMI DATI DI BETOULE ET AL. (2014))

Infine, c'è l'inflazione cosmica, la fase dell'Universo che si è verificata prima del caldo Big Bang, stabilendo le condizioni iniziali con cui il nostro Universo è nato. Sebbene sia spesso deriso da molti, l'inflazione non è mai stata intesa come la risposta finale definitiva, ma piuttosto come un quadro per risolvere enigmi che il Big Bang non può spiegare e fare nuove previsioni che descrivono l'Universo primordiale.

Per questi motivi, ha un successo spettacolare. Inflazione:

  1. riproduce con successo tutte le previsioni del caldo Big Bang,
  2. risolve l'orizzonte, la piattezza e i puzzle monopoli che affliggevano il Big Bang non inflazionistico,
  3. e fece sei nuove previsioni che erano distinte dal vecchio stile del Big Bang, con almeno quattro di esse ora confermate.
Le fluttuazioni quantistiche che si verificano durante l'inflazione si estendono in tutto l'Universo e quando l'inflazione termina, diventano fluttuazioni di densità. Questo porta, nel tempo, alla struttura su larga scala nell'Universo oggi, così come alle fluttuazioni di temperatura osservate nel CMB. Queste nuove previsioni sono essenziali per dimostrare la validità di un meccanismo di regolazione fine. (E. SIEGEL, CON IMMAGINI DERIVATE DA ESA / PLANCK E LA FORZA DI ATTIVITÀ DI INTERAGENZA DOE / NASA / NSF SULLA RICERCA DEL CMB)

Dire che la cosmologia ha alcuni enigmi interessanti è avvincente; dire che ha grossi problemi non è qualcosa che la maggior parte dei cosmologi concorderebbe. Ekeberg discute il Big Bang inflazionistico con materia oscura ed energia oscura come segue:

Questa storia ben nota viene generalmente considerata un fatto scientifico evidente, nonostante la relativa mancanza di prove empiriche - e nonostante un costante raccolto di discrepanze che sorgono con le osservazioni dell'universo distante.

Sostenere che mancano prove empiriche per questo completamente fraintende cos'è la scienza o come funziona la scienza, in generale e in particolare in questo particolare campo, dove i dati sono abbondanti e di alta qualità. Indicare "un costante raccolto di discrepanze" è un disingenuo - e oserei deliberatamente - interpretare erroneamente l'evidenza, usata da Ekeberg per promuovere un'agenda solipsistica, filosoficamente vuota, anti-scienza.

Molte galassie vicine, comprese tutte le galassie del gruppo locale (per lo più raggruppate all'estrema sinistra), mostrano una relazione tra la loro dispersione di massa e velocità che indica la presenza di materia oscura. NGC 1052-DF2 è la prima galassia conosciuta che sembra fatta solo di materia normale. (DANIELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Dobbiamo sempre essere consapevoli dei limiti e delle ipotesi inerenti a qualsiasi ipotesi scientifica che avanziamo. Ogni teoria ha un intervallo di validità accertata e un intervallo in cui estendiamo le nostre previsioni oltre le frontiere conosciute. Una teoria è valida solo come le previsioni verificabili che può fare; spingendo verso un nuovo territorio osservativo o sperimentale è dove dobbiamo cercare se speriamo mai di sostituire la nostra attuale comprensione.

Ma non dobbiamo dimenticare o buttare via i successi esistenti della Relatività Generale, l'Universo in espansione, il Big Bang, la materia oscura, l'energia oscura o l'inflazione. Andare oltre le nostre attuali teorie include - come requisito obbligatorio - che comprende e riproduce i loro trionfi. Fino a quando una solida alternativa non raggiungerà tale soglia, tutte le dichiarazioni di "grandi problemi" con il paradigma prevalente dovrebbero essere trattate per quello che sono: diatribi guidate ideologicamente senza il merito scientifico necessario per sostenerle.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.