Il Sistema Solare nasconde una quinta forza della natura

Ogni volta che mettiamo alla prova la teoria della relatività generale di Albert Einstein nel nostro "giardino di casa", questa supera l'esame a pieni voti. Dal modo in cui oscilla Mercurio alla temporizzazione dei segnali radio che rimbalzano su Marte, la matematica è sostanzialmente inattaccabile. Ma là fuori, nel buio profondo, l'universo sta giocando una partita doppia. Le galassie si allontanano l'una dall'altra più velocemente di quanto la gravità dovrebbe consentire, spinte da una pressione repulsiva che chiamiamo energia oscura. Questo enorme disallineamento tra il nostro vicinato locale e il resto del cosmo ha portato i fisici a una conclusione radicale: c'è una quinta forza della natura che si nasconde in bella vista, e il nostro Sole agisce attualmente come il suo scudo principale.

Slava Turyshev, fisico presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, ha trascorso anni a indagare su questa contraddizione cosmica. Il problema è che, sebbene l' energia oscura domini circa il 70 percento dell'universo, sembra non fare assolutamente nulla all'interno del nostro sistema solare. È come se le leggi della fisica cambiassero nel momento in cui si entra nella periferia di una stella. L'ultima analisi di Turyshev suggerisce che ciò non accada perché la quinta forza non esiste qui, ma perché la presenza di materia — il Sole, i pianeti, persino noi — la disattiva efficacemente. Questo fenomeno, noto come "screening" (schermatura), crea una bolla di fisica "normale" che maschera la realtà più strana al di fuori di essa.

Per capire perché questo sia importante, bisogna guardare alle quattro forze che già conosciamo: gravità, elettromagnetismo e le forze nucleari forte e debole. Sono le regole del gioco. Se esiste una quinta forza, potrebbe spiegare perché l'universo si sta espandendo a un ritmo accelerato, un mistero che ha confuso gli scienziati sin dalla fine degli anni '90. Se riuscissimo a rilevare anche solo un sussurro di questa forza a livello locale, sarebbe la più grande scoperta nella fisica dopo quella del bosone di Higgs. Il problema è che la forza sembra essere un'introversa cosmica, che si mostra solo quando non c'è assolutamente nient'altro nei paraggi.

Il camaleonte che si nasconde nella luce solare

Immaginate un suono che è assordante in un canyon vuoto ma diventa un flebile sussurro in un pub affollato. La densità dell'atmosfera e i corpi attorno a voi assorbono semplicemente l'energia. Nel sistema solare, il Sole è la fonte suprema di tale densità. Il lavoro di Turyshev indica che la forza camaleontica potrebbe essere ancora presente, ma è compressa in un sottile guscio esterno vicino ai confini dell'influenza del Sole. Questo rende incredibilmente difficile individuarla con il tipo di sensori di navigazione che utilizziamo attualmente per le sonde nello spazio profondo.

Non si tratta solo di elucubrazioni teoriche. Se l'effetto camaleonte fosse reale, significherebbe che i nostri attuali test sulla gravità stanno guardando solo la superficie di una piscina molto più profonda. Turyshev sostiene che, sebbene la forza sia soppressa, non è del tutto scomparsa. Lascia dietro di sé un "residuo debole", una minuscola traccia che potrebbe essere rilevata se sapessimo esattamente dove guardare. Non stiamo parlando di un pianeta che devia improvvisamente dalla rotta; stiamo parlando di misurare un segnale con una precisione di una parte su 100 quadrilioni. È l'ultima sfida a nascondino cosmico.

Una zona morta di quattrocento anni luce

I calcoli suggeriscono che il raggio di Vainshtein del Sole si estenda per circa 400 anni luce. Per mettere la cosa in prospettiva, la stella più vicina, Proxima Centauri, dista solo 4,2 anni luce. Se questa teoria fosse corretta, vivremmo all'interno di un'enorme zona morta in cui la fisica più interessante dell'universo viene messa a tacere. Ogni sonda che abbiamo mai lanciato, da Voyager a New Horizons, si trova ancora in profondità all'interno di questa bolla. Sono come pesci che cercano di studiare il concetto di fuoco mentre sono immersi sul fondo dell'oceano.

La tensione qui risiede nel fatto che stiamo cercando di risolvere un mistero universale usando strumenti locali che sono deliberatamente ciechi rispetto alla risposta. Ciò crea un enorme ostacolo per gli sperimentatori. Se il raggio di Vainshtein è davvero così grande, non saremo mai in grado di inviare una sonda abbastanza lontano da vedere la forza nella sua piena gloria non schermata. Dobbiamo invece cercare piccole crepe nell'armatura: minuscoli scostamenti dalle previsioni di Einstein che si verificano proprio qui a casa.

Perché il ritardo di Shapiro è la nostra occasione migliore

Tuttavia, Turyshev suggerisce che una quinta forza schermata causerebbe una minuscola, quasi impercettibile, deviazione in quel tempo. Stima che, se riuscissimo a misurare un segnale che passa vicino al Sole con una precisione da due a cinque parti per milione, potremmo vedere i primi segnali del cedimento dello schermo. Questo è un livello di precisione che era impossibile dieci anni fa, ma stiamo iniziando a colmare il divario. Richiede di andare oltre i semplici segnali radio e verso collegamenti laser ultra-precisi tra veicoli spaziali.

Orologi atomici e la ricerca del residuo

Oltre alla temporizzazione della luce, la prossima generazione di esperimenti di fisica si sta spostando nel regno dell'incredibilmente piccolo. Gli interferometri atomici e gli orologi su reticolo ottico sono ormai così sensibili da poter rilevare la differenza di gravità tra la testa e i piedi. Questi strumenti potrebbero essere la chiave per rompere lo stallo dello screening. Se esiste una quinta forza, potrebbe far sì che diversi tipi di materia cadano a velocità leggermente diverse, una violazione del Principio di Equivalenza di Einstein.

Al momento, sappiamo che tutto cade alla stessa velocità nel vuoto, che si tratti di un martello o di una piuma. Ma una quinta forza che si accoppia alla materia in modo diverso rispetto alla gravità violerebbe quella regola. Turyshev prevede che potremmo presto raggiungere una sensibilità di una parte su 100 quadrilioni per questi test di caduta libera. A quel livello di precisione, il "residuo debole" di una forza schermata dovrebbe teoricamente diventare visibile. Si manifesterebbe come una minuscola oscillazione o una discrepanza nella frequenza di orologi ottici collegati mentre si spostano attraverso diverse parti del campo gravitazionale del Sole.

Questo sposta l'onere della prova sui modelli stessi. Non ci chiediamo più se la forza esiste, ma piuttosto quanto residuo lasci dietro di sé. Se costruissimo questi strumenti iper-precisi e continuassimo a non trovare nulla, i fisici sarebbero costretti ad abbandonare del tutto l'idea dello screening. Ciò significherebbe che l' energia oscura è ancora più strana di quanto pensassimo, o che la nostra comprensione della gravità necessita di una riscrittura molto più drastica rispetto alla semplice aggiunta di una quinta forza.

Le survey cosmiche che guidano la caccia

Mentre cerchiamo indizi a casa, enormi progetti internazionali stanno esaminando il resto dell'universo per fornire una tabella di marcia. Il telescopio Euclid dell'Agenzia Spaziale Europea e lo spettroscopio per l'energia oscura (DESI) stanno attualmente realizzando le più grandi mappe 3D del cosmo mai create. Stanno osservando la struttura su larga scala dell'universo, la vasta rete di galassie e gas che riempie il vuoto. È qui che la quinta forza dovrebbe agire più liberamente.

La vera tensione risiede nel fatto che potremmo cercare qualcosa che è fondamentalmente progettato per essere invisibile a noi. L'universo sembra avere un meccanismo integrato che ci protegge dalle forze stesse che guidano la sua evoluzione. Che si tratti di un colpo di fortuna della fisica o di una legge fondamentale, il sistema solare è attualmente il nostro unico laboratorio per testare i limiti dell'eredità di Einstein. Viviamo in un angolo tranquillo di un universo molto rumoroso, e stiamo finalmente sviluppando l'udito necessario per percepire ciò che accade all'esterno.