Di che forma è l’universo? Un nuovo studio suggerisce che abbiamo sbagliato tutto

Quando i ricercatori hanno rianalizzato il set di dati standard nell’universo primordiale, hanno concluso che il cosmo deve essere “chiuso” o raggomitolato come una palla. La maggior parte degli altri rimane non convinta. Un documento provocatorio pubblicato oggi sulla rivista Nature Astronomy sostiene che l’universo può curvarsi e chiudersi su se stesso come una sfera, piuttosto che disteso come un foglio di carta come prevede la teoria standard della cosmologia. Gli autori hanno rianalizzato un importante set di dati cosmologici e hanno concluso che i dati favoriscono un universo chiuso con una certezza del 99% anche se altre prove suggeriscono che l’universo sia piatto.

universo chiuso
In un universo piatto, come si vede a sinistra, una linea retta si estenderà all’infinito. Un universo chiuso, a destra, è raggomitolato come la superficie di una sfera. In esso, una linea retta alla fine tornerà al suo punto di partenza.

I dati in questione – le osservazioni della luce antica del telescopio spaziale Planck chiamato sfondo cosmico a microonde (CMB) – “indicano chiaramente un modello chiuso”, ha detto Alessandro Melchiorri dell’Università Sapienza di Roma. È stato coautore del nuovo articolo con Eleonora di Valentino dell’Università di Manchester e Joseph Silk , principalmente dell’Università di Oxford. A loro avviso, la discordanza tra i dati della CMB, che suggerisce l’universo è chiuso, e altri dati che indicano la piattezza rappresentano una “crisi cosmologica” che richiede un “ripensamento drastico”.

Tuttavia, il team di scienziati dietro il telescopio Planck ha raggiunto conclusioni diverse nell’analisi del 2018 . Antony Lewis , un cosmologo dell’Università del Sussex e un membro del team Planck che ha lavorato a tale analisi, ha affermato la spiegazione più semplice per la caratteristica specifica nei dati CMB che Valentino, Melchiorri e Silk hanno interpretato come prova di un universo chiuso “ è che è solo un colpo di fortuna statistico. ”Lewis e altri esperti affermano di aver già esaminato attentamente il problema, insieme ai relativi enigmi nei dati.

“Non c’è dubbio che questi sintomi esistano ad un certo livello”, ha detto Graeme Addison , un cosmologo della Johns Hopkins University che non è stato coinvolto nell’analisi di Planck o nella nuova ricerca. “C’è solo disaccordo sull’interpretazione”.

Se l’universo è piatto, ovvero se due fasci di luce che sparano uno accanto all’altro nello spazio rimarranno paralleli per sempre, piuttosto che alla fine incrociarsi e oscillare indietro verso il punto di partenza, come in un universo chiuso, dipende in modo critico dalla densità dell’universo. Se tutta la materia e l’energia nell’universo, compresa la materia oscura e l’energia oscura, si sommano esattamente alla concentrazione alla quale l’energia dell’espansione verso l’esterno equilibra l’energia dell’attrazione gravitazionale interna, lo spazio si estenderà in modo piatto in tutte le direzioni.

La teoria principale della nascita dell’universo, nota come inflazione cosmica, produce piattezza incontaminata. E varie osservazioni dai primi anni 2000 hanno dimostrato che il nostro universo è quasi quasi piatto e deve quindi rientrare in un capello di questa densità critica – che si calcola essere circa 5,7 atomi di idrogeno per roba per metro cubo di spazio, in gran parte invisibile.

Il telescopio Planck misura la densità dell’universo misurando la quantità di luce CMB che è stata deviata o “lente gravitazionalmente” mentre attraversava l’universo negli ultimi 13,8 miliardi di anni. Più materia incontrano questi fotoni CMB nel loro viaggio verso la Terra, più ottengono le lenti, in modo che la loro direzione non rifletta più nitidamente il loro punto di partenza nell’universo primordiale. Ciò si manifesta nei dati come un effetto di sfocatura, che attenua alcuni picchi e avvallamenti nel modello spaziale della luce. Secondo la nuova analisi, la grande quantità di lenti del CMB suggerisce che l’universo potrebbe essere circa il 5% più denso della densità critica, con una media di qualcosa come sei atomi di idrogeno per metro cubo invece di 5,7, in modo che la gravità vince e il cosmo si chiude su se stesso.

ESA Planck
La mappa del satellite Planck sullo sfondo delle microonde cosmiche.

Gli scienziati di Planck hanno notato l’effetto lente più grande del previsto anni fa; l’anomalia si è manifestata soprattutto nell’analisi finale dell’intero set di dati , pubblicato lo scorso anno. Se l’universo è piatto, i cosmologi si aspettano che una misurazione della curvatura rientri in circa una “deviazione standard” di zero, a causa di fluttuazioni statistiche casuali nei dati. Ma sia il team Planck che gli autori del nuovo articolo hanno scoperto che i dati CMB si discostano di 3,4 deviazioni standard. Supponendo che l’universo sia piatto, questo è un grande colpo di fortuna – circa l’equivalente di ottenere la testa in una moneta lanciata 11 volte di seguito, il che accade meno dell’1% delle volte. Il team Planck attribuisce la misurazione proprio a un tale colpo di fortuna, o ad un effetto non giustificato che offusca la luce CMB, imitando l’effetto di materia extra.

O forse l’universo è davvero chiuso. Di Valentino e co-autori sottolineano che un modello chiuso risolve altri risultati anomali nel CMB. Ad esempio, i ricercatori deducono i valori degli ingredienti chiave del nostro universo, come la quantità di materia oscura e l’energia oscura, misurando le variazioni del colore della luce CMB proveniente da diverse regioni del cielo. Ma curiosamente, ottengono risposte diverse quando confrontano piccole regioni del cielo e quando confrontano grandi regioni. Gli autori sottolineano che quando ricalcoli questi valori assumendo un universo chiuso, non differiscono.

Will Kinney , un cosmologo dell’Università di Buffalo a New York, ha definito “davvero interessante” questo vantaggio del modello dell’universo chiuso. Ma ha notato che le discrepanze tra variazioni su piccola e grande scala osservate nella luce della CMB potrebbero essere facilmente statistiche fluttuazioni stesse, oppure potrebbero derivare dallo stesso errore non identificato che potrebbe influire sulla misurazione del cristallino.

Ci sono solo sei di queste proprietà chiave che modellano l’universo, secondo la teoria standard della cosmologia, che è conosciuta come ΛCDM (chiamata per energia oscura, rappresentata dalla lettera greca Λ, o lambda, e fredda materia oscura). Con solo sei numeri, ΛCDM descrive accuratamente quasi tutte le caratteristiche del cosmo. E ΛCDM non prevede alcuna curvatura; dice che l’universo è piatto.

Il nuovo articolo sostiene effettivamente che potrebbe essere necessario aggiungere un settimo parametro a ΛCDM: un numero che descrive la curvatura dell’universo. Per la misurazione dell’obiettivo, l’aggiunta di un settimo numero migliora l’adattamento ai dati.

Ma altri cosmologi sostengono che prima di prendere un’anomalia abbastanza seriamente da aggiungere un settimo parametro alla teoria, dobbiamo prendere in considerazione tutte le altre cose che ΛCDM ha ragione. Certo, possiamo concentrarci su questa unica anomalia – una moneta che esce testa 11 volte di seguito – e dire che qualcosa non funziona. Ma il CMB è un set di dati così grande che è come lanciare una moneta centinaia o migliaia di volte. Non è troppo difficile immaginare che così facendo incontreremo una corsa casuale di 11 teste. I fisici chiamano questo effetto “guarda altrove”.

Inoltre, i ricercatori osservano che il settimo parametro non è necessario per la maggior parte delle altre misurazioni. Esiste un secondo modo di ripulire la curvatura spaziale dal CMB, misurando le correlazioni tra la luce da insiemi di quattro punti nel cielo; questa misurazione della “ricostruzione del cristallino” indica che l’universo è piatto, senza il settimo parametro necessario. Inoltre, anche le osservazioni indipendenti del sondaggio BOSS sui segnali cosmologici chiamati oscillazioni barioniche indicano una planarità. Planck, nella loro analisi del 2018, ha combinato la misurazione del loro obiettivo con queste altre due misurazioni e ha raggiunto un valore complessivo per la curvatura spaziale all’interno di una deviazione standard di zero.

Di Valentino, Melchiorri e Silk pensano che riunire questi tre diversi set di dati maschera il fatto che i diversi set di dati non siano effettivamente d’accordo. “Il punto qui non è che l’universo sia chiuso”, ha detto Melchiorri via e-mail. “Il problema è l’incoerenza tra i dati. Ciò indica che attualmente non esiste un modello di concordanza e che ci manca qualcosa. ”In altre parole, ΛCDM è errato o incompleto.

Tutti gli altri ricercatori consultati per questo articolo pensano che il peso delle prove indichi che l’universo sia piatto. “Date le altre misurazioni”, ha detto Addison, “l’interpretazione più chiara di questo comportamento dei dati di Planck è che si tratta di una fluttuazione statistica. Forse è causato da una leggera inesattezza nell’analisi di Planck, o forse sono solo fluttuazioni di rumore o possibilità casuali. Ma in entrambi i casi, non c’è davvero un motivo per prendere sul serio questo modello chiuso. ”

Questo non vuol dire che non manchino pezzi dal quadro cosmologico. ΛCDM sembra prevedere il valore errato per l’attuale tasso di espansione dell’universo, causando una controversia nota come problema della costante di Hubble . Ma supporre che l’universo sia chiuso non risolve questo problema – in effetti, l’aggiunta di curvatura peggiora la previsione del tasso di espansione. A parte la misurazione anomala del cristallismo di Planck, non c’è motivo di pensare che l’universo sia chiuso.

“Il tempo lo dirà, ma non sono, personalmente, terribilmente preoccupato per questo”, ha detto Kinney, riferendosi al suggerimento di curvatura nei dati CMB. “È un tipo con anomalie simili che hanno dimostrato di essere vapore.”

Parametri cosmologici. Risultati Planck 2018

I risultati dei parametri cosmologici 2018 esplorano una varietà di modelli cosmologici con combinazioni di Planck e altri dati. Forniamo risultati dalle catene di esplorazione MCMC, nonché migliori adattamenti e set di tabelle dei parametri. Definizioni, convenzioni e riferimenti sono contenuti in Planck-2013-XVI , Planck-2015-A15 e nel documento parametrico 2018 Planck-2018-L06 .

Le catene di parametri sono prodotte utilizzando CosmoMC, un pacchetto di campionamento disponibile qui. Ciò include GetDist del pacchetto di analisi di esempio (e GUI) e gli script per la gestione, l’analisi e la stampa dei risultati dalla griglia completa delle esecuzioni. Il pacchetto di analisi di esempio Python GetDist è disponibile anche separatamente.

I prodotti della catena forniti qui sono stati rimossi dal burn-in. Alcuni risultati con dati aggiuntivi sono prodotti dal campionamento per importanza. Si noti che il modello di base include un neutrino massiccio (0,06 eV)

  1. Gli intervalli di confidenza sono derivati ​​dai campioni MCMC e presuppongono che le probabilità di input siano esattamente corrette, quindi non vi è alcuna quantificazione per errori sistematici se non attraverso i modelli di covarianza, primo piano ed errore del fascio assunti nei codici di probabilità.
  2. La modellazione di lenti non lineari utilizza Halofit (HMCode); per alcuni modelli estesi e analisi del solo obiettivo CMB , le code delle catene potrebbero distanziarsi dal dominio di validità.
  3. I risultati della polarizzazione sono sensibili ai dettagli della modellizzazione della polarizzazione; le incertezze sistematiche non vengono prese in considerazione e in alcuni casi possono cambiare i risultati fino a una deviazione standard (ma è difficile da quantificare completamente). Vengono inoltre forniti risultati di probabilità CamSpecHM alternativi che danno un’idea delle differenze che possono essere ottenute con diverse scelte di analisi.
  4. I valori indicati per l’abbondanza di elio ( P e BBN ) e D / H, quando P non è variato come parametro, si ottengono assumendo il codice BBN Parthenope 1.1 e non includono errori teorici.
  5. Alcuni parametri di disturbo hanno definizioni leggermente diverse nelle probabilità di plikHM e CamSpecHM e non possono essere confrontati direttamente.
EtichettaDati
plikHMSpettri di potenza Planck high-ℓ di base (mezza missione plik, 30 ≤ ℓ ≤ 2508)
CamSpecHMSpettri di potenza Planck elevati (mezza missione CamSpec, 30 ≤ ℓ ≤ 2500)
CleanedCamSpecHMSpettri PlanS Camecpec high-clean puliti in primo piano (mezza missione incrociata, 30 ≤ ℓ ≤ 2500)
LOWLBasso-ℓ: solo temperatura di Planck (2 ≤ ℓ ≤ 29)
LoweProbabilità EE a bassa polarizzazione HFI (2 ≤ ℓ ≤ 29)
lensingPlanck analizza la probabilità di ricostruzione dello spettro di potenza conservativa
zre6p5Un disco precedente ri > 6.5
reionUn disco precedente ri > 6.5, combinato con gaussiana prima ri = 7 ± 1
BAODati di oscillazione barionica da DR12, MGS e 6DF
Pantheon18Dati relativi alle supernova del campione del Pantheon, con file di distanza principale aggiornato con redshift eliocentrici
JLADati di supernova dell’analisi SDSS-II / SNLS3 Joint Light-curve
Riess18Misurazione dei parametri Hubble locali da Riess et al. (A), 0 = 73,45 ± 1,66
BK15Analisi 2015 di Bicep-Keck (+ Planck / WMAP) (arXiv: 1810.05216)
thetaθ MC = 1.0409 ± 0.0006 priore gaussiano
WMAPTutti i dati WMAP (temperatura e polarizzazione) di 9 anni
lenspriorsParametri base standard con s = 0,96 ± 0,02, Ω 2 = 0,0222 ± 0,0005, 100> 0 > 40, τ = 0,055
DESpriorsPriori di parametri cosmologici DES (piatto su 0,1 <Ω m <0,9, 0,03 <Ω b <0,07, 55 < 0 <91, 0,5 <10 s <5, P = 0,245341 e, se varia, 0,05 eV <Σ ν <1 eV)
DESDES 1 anno, taglio cosmico + galassia auto + croce
DESlensDES 1 anno, solo taglio cosmico
DESwtDES 1yr, auto galaxy + solo croce

Le elevate probabilità di Planck hanno varianti TT, TE, EE per ogni singolo spettro, oltre al vincolo del giunto TTTEEE. Quando la probabilità dell’obiettivo viene utilizzata con DESpriors o lenspriors, viene emarginata rispetto agli spettri di potenza teorici CMB (come descritto nel documento sull’obiettivo del 2018).

Planck non trova nuove prove per anomalie cosmiche

Il satellite Planck dell’ESA non ha trovato nuove prove delle sconcertanti anomalie cosmiche apparse nella sua mappa della temperatura dell’Universo. L’ultimo studio non esclude la potenziale rilevanza delle anomalie, ma significa che gli astronomi devono lavorare ancora di più per capire l’origine di queste caratteristiche enigmatiche.

Lo sfondo delle microonde cosmiche: temperatura e polarizzazione. Credito: ESA / Planck Collaboration
Lo sfondo delle microonde cosmiche: temperatura e polarizzazione. Credito: ESA / Planck Collaboration
Gli ultimi risultati di Planck provengono da un’analisi della polarizzazione della radiazione cosmica a microonde (CMB), la luce più antica della storia cosmica, rilasciata quando l’Universo aveva solo 380.000 anni. L’analisi iniziale del satellite, resa pubblica nel 2013 , si è concentrata sulla temperatura di questa radiazione nel cielo. Ciò consente agli astronomi di studiare l’origine e l’evoluzione del cosmo. Mentre per lo più ha confermato il quadro standard di come il nostro Universo si evolve, la prima mappa di Planck ha anche rivelato una serie di anomalie che sono difficili da spiegare nel modello standard di cosmologia.Le anomalie sono caratteristiche deboli sul cielo che appaiono a grandi scale angolari. Non sono sicuramente artefatti prodotti dal comportamento del satellite o dall’elaborazione dei dati, ma sono abbastanza deboli da poter essere flukes statistici – fluttuazioni che sono estremamente rare ma non del tutto escluse dal modello standard. In alternativa, le anomalie potrebbero essere un segno di “nuova fisica”, il termine usato per processi naturali non ancora riconosciuti che estenderebbero le leggi conosciute della fisica.

La polarizzazione CMB su grandi scale angolari. Credito: ESA / Planck Collaboration
La polarizzazione CMB su grandi scale angolari. Credito: ESA / Planck Collaboration

Per sondare ulteriormente la natura delle anomalie, il team di Planck ha esaminato la polarizzazione del CMB, che è stata rivelata dopo un’attenta analisi dei dati multi-frequenza progettati per eliminare le fonti in primo piano delle emissioni di microonde, inclusi gas e polvere nel nostro latteo Via galassia. Questo segnale è la migliore misurazione fino ad oggi delle cosiddette modalità E di polarizzazione CMB e risale al momento in cui i primi atomi si formarono nell’Universo e il CMB fu rilasciato. È prodotto dal modo in cui la luce si disperde dalle particelle di elettroni appena prima che gli elettroni si riunissero in atomi di idrogeno.

La polarizzazione fornisce una visione quasi indipendente del CMB, quindi se anche le anomalie dovessero comparire lì, ciò aumenterebbe la fiducia degli astronomi nel fatto che potrebbero essere causati dalla nuova fisica piuttosto che essere flukes statistici. Sebbene Planck non fosse originariamente progettato per concentrarsi sulla polarizzazione, le sue osservazioni sono state utilizzate per creare le mappe a tutto cielo più accurate della polarizzazione CMB fino ad oggi. Questi sono stati pubblicati nel 2018 , migliorando notevolmente la qualità delle prime mappe di polarizzazione di Planck, rilasciate nel 2015Quando il team Planck ha esaminato questi dati, non ha riscontrato alcun segno evidente delle anomalie. Nella migliore delle ipotesi, l’analisi, pubblicata oggi in Astronomia e Astrofisica , ha rivelato alcuni deboli suggerimenti che potrebbero essere presenti alcune anomalie.

” Le misure di polarizzazione di Planck sono fantastiche “, afferma Jan Tauber, scienziato del progetto Planck dell’ESA. ” Eppure, nonostante i grandi dati che abbiamo, non vediamo tracce significative di anomalie “.

A prima vista, ciò sembrerebbe rendere le anomalie più probabili essere flukes statistici, ma in realtà non esclude la nuova fisica perché la natura potrebbe essere più complicata di quanto immaginiamo. Fino ad ora, non vi sono ipotesi convincenti per quale tipo di nuova fisica potrebbe causare le anomalie. Quindi, potrebbe essere che il fenomeno responsabile influisca solo sulla temperatura del CMB, ma non sulla polarizzazione. Da questo punto di vista, mentre la nuova analisi non conferma che la nuova fisica è in atto, pone importanti vincoli su di essa.

La temperatura CMB su grandi scale angolari. Credito: ESA / Planck Collaboration
La temperatura CMB su grandi scale angolari. Credito: ESA / Planck Collaboration
L’anomalia più grave che si è manifestata nella mappa della temperatura CMB è un deficit nel segnale osservato a grandi scale angolari nel cielo , di circa cinque gradi – come confronto, la Luna piena si estende per circa mezzo grado. Su queste grandi scale, le misurazioni di Planck sono circa il dieci percento più deboli di quanto prevedesse il modello standard di cosmologia.

Planck ha anche confermato, con elevata confidenza statistica, altri tratti anomali che erano stati accennati in precedenti osservazioni sulla temperatura del CMB, come una significativa discrepanza del segnale osservata nei due emisferi opposti del cielo e un cosiddetto ” punto freddo “- un punto grande a bassa temperatura con un profilo di temperatura insolitamente ripido.

” Abbiamo detto al momento della prima versione che Planck avrebbe testato le anomalie usando i suoi dati di polarizzazione. La prima serie di mappe di polarizzazione che sono abbastanza pulite per questo scopo sono state rilasciate nel 2018, ora abbiamo i risultati “, afferma Krzysztof M Górski, uno degli autori del nuovo articolo, del Jet Propulsion Laboratory (JPL), Caltech, USA.

Sfortunatamente, i nuovi dati non hanno portato oltre il dibattito, poiché gli ultimi risultati non confermano né negano la natura delle anomalie.

” Abbiamo qualche suggerimento che, nelle mappe di polarizzazione, potrebbe esserci un’asimmetria di potenza simile a quella osservata nelle mappe della temperatura, sebbene rimanga statisticamente poco convincente “, aggiunge Enrique Martínez González, anche co-autore dell’articolo , dall’Instituto de Física de Cantabria a Santander, in Spagna.

Mentre ci saranno ulteriori analisi dei risultati Planck in corso, è improbabile che produrranno risultati significativamente nuovi su questo argomento. La strada ovvia per fare progressi è quella di una missione dedicata, appositamente progettata e ottimizzata per studiare la polarizzazione della CMB, ma ci vorranno almeno 10-15 anni nel futuro.

” Planck ci ha fornito i migliori dati che avremo per almeno un decennio “, afferma il coautore Anthony Banday dell’Institut de Recherche in Astrophysique et Planétologie a Tolosa, in Francia. Nel frattempo, il mistero delle anomalie continua.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Aghanim, N. et al. (Planck Collaboration) Risultati Planck 2018. VI. Parametri cosmologici. Preprint su https://arxiv.org/abs/1807.06209 (2018).
  2. Aghanim, N. et al. (Planck Collaboration) Risultati Planck 2018. V. Spettri di potenza e probabilità CMB. Preprint su https://arxiv.org/abs/1907.12875 (2019).
  3. Parametri cosmologici e catene MC 2018 (Planck Legacy Archive Wiki); https://go.nature.com/2OHvQme

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