La gravità bimetrica o bigravità è una qualsiasi teoria fisica della gravitazione che fa uso di due tensori metrici invece di uno, come nella relatività generale.
Nello specifico per gravità bimetrica ci si riferisce a due classi di teorie. La prima considera teorie matematiche della gravità modificate in cui vengono usati due tensori metrici; la seconda metrica può essere introdotta ad alte energie, con l'implicazione che la velocità della luce possa dipendere dall'energia, permettendo quindi modelli dove la velocità della luce non è costante.
Se le due metriche sono dinamiche e interagiscono, una possibilità prevede due modelli del gravitone, uno con e uno senza massa; tali teorie bimetriche sono quindi strettamente legate alla gravità massiva. Esistono numerose teorie bimetriche con gravitone massivo, come quelle attribuite a Nathan Rosen (1909–1995) o Mordehai Milgrom con estensioni relativistiche della MOND. Più recentemente, sviluppi nella gravità massiva hanno anche condotto a nuove teorie bimetriche coerenti. Sebbene nessuna di queste abbia dimostrato di tener conto delle osservazioni sperimentali con più precisione o costanza della teoria della relatività generale, la teoria di Rosen si è rivelata incoerente con le osservazioni della pulsar binaria di Hulse-Taylor. Alcune di queste teorie portano all'accelerazione cosmica in un tempo avanzato e sono quindi alternative all'energia oscura. La gravità bimetrica è pure in contraddizione con le misure delle onde gravitazionali emesse dalla fusione di stelle di neutroni GW170817.
Al contrario, la seconda classe di teorie di gravità bimetrica non fa affidamento a gravitoni massivi e non modifica la legge di Newton, bensì descrive l'universo come una varietà avente due metriche riemanniane accoppiate, dove la materia che popola i due settori interagisce attraverso la gravità (e l'antigravità se la topologia e l'approssimazione newtoniana considerate introducessero la massa negativa e l'energia negativa come alternativa alla materia oscura e all'energia oscura). Alcuni di questi modelli cosmologici usano anche una velocità della luce variabile nello stato di elevata densità energetica durante l'era dominata dalle radiazioni dell'universo, come alternativa alla teoria dell'inflazione. Problemi del modello cosmologico ΛCDM
Violazione della parità tra materia e antimateria Il mistero dell'antimateria, o bariogenesi (ovvero del perché nell'universo vi sia così poca antimateria e del perché la materia abbia prevalso su di essa) ha portato alcuni scienziati a ipotizzare l'esistenza di un universo parallelo con simmetria CPT, come nelle teorie proposte da Andrej Sacharov e Jean-Pierre Petit. Nel contesto della teoria quantistica dei campi, spiegare questa asimmetria richiede il soddisfacimento di tutte e tre le condizioni di Sacharov: la violazione della simmetria CP, la non conservazione del numero barionico e l'assenza di equilibrio termico. Il modello standard conserva il numero barionico e si ritiene generalmente che la violazione CP in esso prevista non sia sufficiente a spiegare l'eccesso di materia osservato, rendendo necessario il ricorso a una fisica al di là del modello standard.
Il problema della materia oscura Un modello cosmologico standard deve postulare l'esistenza della materia oscura per spiegare la velocità delle stelle nelle galassie, la velocità delle galassie negli ammassi, quella degli ammassi nei super-ammassi e i forti effetti di lente gravitazionale intorno a questi ultimi. Tutte queste osservazioni sono compatibili con un modello a pressione zero per la materia oscura, sebbene non manchino incongruenze. La prima riguarda il fatto che, alla scala degli ammassi, la massa della materia oscura risulta 10-30 volte superiore a quella della materia ordinaria. La seconda è legata alla possibilità di spostare il tensore energia-impulso della materia oscura dal lato destro al lato sinistro dell'equazione di Einstein, il che conduce a una modifica della teoria gravitazionale, come nella teoria MOND, invece di mantenere intatta la relatività generale modificando il contenuto di materia. Tuttavia, le osservazioni delle galassie Bullet e di altri ammassi simili tendono a confermare l'ipotesi della materia oscura rispetto alle previsioni della teoria MOND classica.
Il problema principale è che, per inserirsi nel quadro del modello standard delle particelle, la materia oscura deve essere composta da particelle. Il neutralino, la particella più leggera prevista dalla supersimmetria, è stato il candidato privilegiato dagli anni novanta, ma nessuno degli esperimenti dedicati alla sua rilevazione, tra cui XENON e LUX, ne ha finora rilevato traccia. Anche l'LHC non ha prodotto alcuna evidenza di supersimmetria.
La ricerca si sta attualmente orientando verso nuovi candidati con massa inferiore a 1 GeV, ma saranno necessari ancora diversi anni per confermare o escludere questa ipotesi. L'assenza di un candidato principale per la materia oscura rimane pertanto un problema aperto.
L'espansione accelerata dell'universo Nel 1998 due team (il Supernova Cosmology Project e l'High-z Supernova Search Team) scoprirono che l'espansione dell'universo è accelerata, contrariamente a quanto precedentemente creduto, con il parametro di decelerazione che risulta negativo.
Nel contesto della metrica di Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, applicata a una soluzione dell'equazione di campo di Einstein per un universo omogeneo e isotropo, viene confermato che la costante cosmologica non è uguale a zero. In relatività generale la costante cosmologica è un parametro libero: come mostrato anche da Cartan, le equazioni più generali che dipendono linearmente dalle derivate seconde delle componenti della metrica sono le equazioni di Einstein con costante cosmologica. Spiegare il valore di questa costante attraverso modelli che vanno oltre la relatività generale è un campo di ricerca tuttora aperto.
A tal proposito sorgono due questioni principali. In primo luogo, se si cerca di calcolare la costante cosmologica a energia nulla, i metodi basati sulla teoria dei campi quantistici forniscono risultati che differiscono di 120 ordini di grandezza rispetto al valore osservato. In tal caso la costante cosmologica risulterebbe pari a 10⁻⁹⁵ rispetto alla densità di energia di PlanckWang, B et al. (Aug. 2016), (en) “Dark matter and dark energy interactions: theoretical challenges, cosmological implications and observational signatures”, Reports on Progress in Physics, 79.9, p.096901 [equation (10)], il che pone un grave problema di messa a punto dell'universo, qualora questa costante fosse generata da un meccanismo derivante da una teoria fondamentale.
Alcuni modelli cercano una spiegazione comune per la materia oscura e la costante cosmologica, come il modello del dark fluid (fluido oscuro), mentre altri introducono un campo scalare la cui equazione di stato consente una variazione della costante cosmologica nel tempo, come nel modello della Quintessenza. I modelli cosmologici bimetrici rappresentano un'ulteriore soluzione proposta.
Formazione di una galassia
Il processo di formazione ed evoluzione delle galassie è incentrato sui processi che hanno portato alla formazione dell'universo eterogeneo a partire da una premessa omogenea, alla formazione delle prime galassie, ai cambiamenti delle galassie nel tempo e ai processi che hanno portato alla formazione di una grande varietà di strutture osservate nelle galassie vicine. Si tratta di una delle aree di ricerca più attive nel campo dell'astrofisica.
Nonostante i numerosi successi delle teorie proposte, esse non sono sufficienti a spiegare la diversità delle strutture che osserviamo tra le galassie. Hanno un'ampia gamma di forme, da galassie ellittiche arrotondate e indefinite a una galassia a spirale la cui forma appiattita assomiglia a frittelle, e la stabilità dei tubi a spirale nella cui rotazione non è stata spiegata. Un problema è la spiegazione delle curve di rotazione delle galassie.
Peculiarità dei buchi neri Al centro del buco nero vi è l'area in cui il campo gravitazionale e le distorsioni dello spazio (più precisamente chiamata curvatura dello spazio) diventano infinite. Quest'area è chiamata singolarità della gravità. La descrizione di quest'area è la più delicata nel contesto della relatività generale, perché non può descrivere le aree in cui la curvatura tende all'infinito.
Inoltre, la teoria generale della relatività è una teoria che, di norma, non può includere gli effetti gravitazionali originali della meccanica quantistica. Tuttavia, quando la curvatura tende all'infinito, si può dimostrare che è necessariamente soggetta a effetti quantistici. Pertanto, solo la teoria della gravità, che include tutti gli effetti quantistici (chiamata gravità quantistica), può descrivere correttamente le singolarità gravitazionali. La descrizione della singolarità gravitazionale è attualmente problematica.
Storia Nella prima classe di teorie menzionate nell'introduzione, se le due metriche sono dinamiche e interagiscono, una possibilità prevede due modi del gravitone, uno massivo e uno privo di massa; tali teorie bimetriche sono quindi strettamente legate alla gravità massiva. Esistono diverse teorie bimetriche con gravitoni massivi, come quelle attribuite a Nathan Rosen o a Mordehai Milgrom con la versione bimetrica della teoria MOND,Milgrom, Mordehai (décembre 2009). “Bimetric MOND gravity”. In: Physical Review D 80.12 che ne costituisce una generalizzazione relativistica. Più recentemente, sviluppi nella gravità massiva hanno condotto a nuove varianti nel campo della gravità bimetrica. Tuttavia, nessuna di queste teorie ha dimostrato di rendere conto delle osservazioni fisiche con maggiore precisione o coerenza della relatività generale. La teoria di Rosen si è rivelata incompatibile con le osservazioni della pulsar binaria di Hulse-Taylor. Alcune di queste teorie prevedono un'accelerazione dell'universo nelle epoche recenti e rappresentano quindi un'alternativa all'energia oscura.
Andrej Sacharov è considerato uno dei precursori dei modelli bimetrici Tradotto come: Ripubblicato come , avendo aperto la strada a ulteriori sviluppi in questo campo. L'elettrodinamica non lineare di Born-Infeld (1934) è stata indicata da Moffat come una possibile prima forma di modello bimetrico, sebbene non riguardi direttamente la gravità.
In seguito al paradosso della violazione della simmetria CP, Sacharov ipotizzò nel 1967 l'esistenza di un secondo universo parallelo in cui l'antimateria prevale simmetricamente sulla materia. La divisione dell'universo in due "fogli" paralleli, A.D. Sakharov: «A multisheet Cosmological model» Preprint of the Institute for Applied Mathematics of the USSR Academy of Sciences, 7, 1970 uno dominato dalla materia e l'altro dall'antimateria, potrebbe conciliare il modello cosmologico con le osservazioni. Questo universo gemello sarebbe in simmetria CPT con il nostro: con inversione del segno della carica (simmetria C), inversione geometrica (simmetria P) e inversione dell'asse temporale (simmetria T). Ciò implica che la materia ordinaria del nostro universo corrisponda all'antimateria nell'altro, in accordo con l'interpretazione di Stueckelberg delle antiparticelle come particelle che viaggiano a ritroso nel tempo, rappresentata nei diagrammi di Feynman. Questa ipotesi, che va oltre il modello standard, non ha ancora prodotto risultati scientifici significativi.