Universe

Universo: e se fosse asimmetrico?

Una nuova analisi basata sulla distribuzione degli ammassi di galassie nell’universo, fino a 5 miliardi di anni luce da noi mostra che alcuni sono più lontani o più vicini di quanto ci si aspetterebbe se l’espansione dell’universo fosse uguale in tutte le direzioni. Se fosse confermato, il risultato minerebbe le fondamenta della fisica, ma molti esperti sono scettici.

universo asimmetrico
Un’immagine dell’ammasso di galassie IDCS J1426, situato a 10 miliardi di anni luce da noi (©ESA/Hubble)

Se la tua vita a volte sembra non avere una direzione, potresti legittimamente dare la colpa all’universo.

Secondo i principi chiave della fisica moderna, il cosmo è “isotropo” su scala di molti miliardi di anni luce, il che significa che dovrebbe avere lo stesso aspetto e lo stesso comportamento in qualunque direzione lo si osservi. A partire dal big bang di quasi 14 miliardi di anni fa, l’universo avrebbe dovuto espandersi in modo identico ovunque. E questo presupposto è in accordo con ciò che gli astronomi verificano quando osservano la liscia uniformità della luce del big bang: il fondo cosmico a microonde (cosmic background radiation, CMB).

Ora, tuttavia, una survey a raggi X delle distanze degli ammassi di galassie in tutto il cielo suggerisce che alcuni sono significativamente più vicini o più lontani di quanto l’isotropia possa far prevedere. Questa scoperta potrebbe essere un segno che l’universo è in realtà “anisotropo”: si espande più velocemente in alcune regioni che in altre. Chiedo scusa a chiunque sia alla ricerca di una scusa cosmica per le proprie disgrazie, ma forse l’universo non è poi così privo di direzione.

Questa possibile prova dell’anisotropia viene da un gruppo internazionale di ricerca guidato dall’astronomo Konstantinos Migkas, dell’Università di Bonn in Germania. E si basa su dati nuovi o di archivio relativi a quasi 850 ammassi di galassie visti dall’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, dal satellite XMMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea e dal satellite giapponese Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics.

Lo studio, apparso nel numero di aprile di “Astronomy and Astrophyisics”, tratta ogni ammasso un po’ come un faro, stimandone le distanze in base a quanto appare luminoso od oscuro ogni singolo ammasso. Misurando il tipo e la quantità di raggi X emessi dal gas caldo e rarefatto che circonda un determinato ammasso, il gruppo ha potuto determinare la temperatura di quel gas.

In questo modo, i ricercatori sono riusciti a stimare la luminosità nei raggi X dell’ammasso e quindi la sua distanza. Successivamente, hanno calcolato la luminosità di ciascun ammasso attraverso una tecnica separata che si basava, in parte, su determinazioni preesistenti del tasso di espansione dell’universo.

Il confronto tra i due valori indipendenti di luminosità degli ammassi ha permesso a Migkas e ai suoi colleghi di indagare le potenziali deviazioni del tasso di espansione dell’universo in tutto il cielo e di scoprire due regioni in cui gli ammassi erano del 30 per cento circa più luminosi o più deboli (e quindi potenzialmente più vicini o più lontani) del previsto.

“Siamo riusciti a individuare una regione che sembra espandersi più lentamente del resto dell’universo e una che sembra espandersi più velocemente”, dice Migkas. “Ci sono anche molti studi su supernovae ottiche e su galassie a infrarossi che hanno rilevato anisotropie simili nelle stesse direzioni.

E ci sono anche molti studi con serie di dati simili che non mostrano alcuna anisotropia! Pertanto, la situazione è ancora incerta. Non sosteniamo di conoscere l’origine delle anisotropie, ma solo che ci sono”.

Un’anisotropia sorprendente e deprimente

Un universo anisotropo minerebbe le fondamenta della fisica, richiedendo importanti revisioni del pensiero attuale sull’evoluzione cosmica.

“Se[la crescita dell’universo fosse effettivamente diversa in diverse direzioni, si aprirebbe una nuova falla nell’ipotesi cosmologica sull’omogeneità dell’espansione su porzioni di spazio sufficientemente grandi”, dice Megan Donahue, astrofisica della Michigan State University che non era coinvolta nello studio.

Un’espansione asimmetrica “sarebbe stupefacente e deprimente”, aggiunge, perché suggerirebbe che la nostra comprensione della struttura e dell’evoluzione su larga scala dell’universo è profondamente – forse irrimediabilmente – incompleta.

Per spiegare una cosa del genere – e per conciliarla con l’isotropia quasi perfetta vista nel fondo cosmico a microonde – i cosmologi potrebbero ricorrere all’energia oscura, la misteriosa forza che determina l’espansione accelerata dell’universo.

Forse, in qualche epoca intermedia nell’ampio intervallo di tempo tra l’immagine del fondo a microonde dell’universo “primordiale” e quella dell’universo ” maturo” degli ultimi miliardi di anni, gli effetti dell’energia oscura si sono intensificati in alcune parti specifiche del cosmo, provocando un’espansione asimmetrica.

“Sarebbe notevole se si scoprisse che l’energia oscura ha diverse intensità in differenti parti dell’universo”, ha detto il coautore dello studio, Thomas Reiprich dell’Università di Bonn in una recente dichiarazione. “Tuttavia, sarebbero necessarie molte più prove per escludere altre spiegazioni e formulare un quadro convincente”.

In alternativa, l’universo potrebbe non essere affatto asimmetrico: gli ammassi di galassie aberranti potrebbero essere coinvolti in un “flusso di massa”, trascinati fuori posto dall’attrazione gravitazionale di ammassi ancora più grandi e lontani, un po’ come le barche travolte dalla corrente impetuosa di un fiume.

Ma la maggior parte dei cosmologi non si aspettava che si verificassero flussi di massa alle scale estremamente grandi indagate dallo studio, in cui sono state condotte misurazioni fino a circa cinque miliardi di anni luce di distanza.

universo asimmetria
Una mappa a cielo aperto che mostra come potrebbe essere un’espansione asimmetrica dell’universo, basata sulle survey a raggi X di centinaia di ammassi di galassie. Le tonalità giallo-arancione indicano un tasso di espansione più veloce del previsto. I colori viola-nero corrispondono a un’espansione più lenta del previsto (K. Migkas et al. 2020-CC BY-SA 3.0 IGO)

“Potrebbe trattarsi benissimo di un flusso di massa”, dice Migkas. “Ma anche questo sarebbe molto importante, semplicemente perché la maggior parte degli studi non ne tiene conto! Qualsiasi flusso di massa esistente potrebbe influenzare pesantemente i nostri risultati e le misurazioni, se non si apportano le correzioni dovute a questi movimenti in modo appropriato”.

Punti ciechi cosmici

La spiegazione più ovvia, naturalmente, sarebbe che le apparenti asimmetrie nella distribuzione spaziale dei cluster sono dovute a difetti nei dati o nella loro analisi. Ma anche questo scenario potrebbe richiedere agli scienziati di aggiornare la loro conoscenza di come gli errori si insinuano nei loro più accurati calcoli delle distanze cosmiche.

“E’ da un po’ di tempo che gli studi che utilizzano gli ammassi come riferimenti cosmologici forniscono risultati scorretti”, dice Adam Riess, astronomo della Johns Hopkins University, che non fa parte del gruppo di Migkas, citando le recenti analisi di altri ricercatori che evidenziano le incongruenze tra il lavoro basato sugli ammassi e quello basato sulle altre tecniche di misurazione.

Tali incongruenze suggeriscono che le correlazioni tra la temperatura dei raggi X di un ammasso di galassie e la sua luminosità non sono così chiare come i ricercatori vorrebbero. Inoltre, dice Riess, ci sono altri potenziali problemi da affrontare proprio qui nella Via Lattea: in particolare, il disco pieno di gas e polveri della nostra galassia, che oscura in vari modi fastidiosi la visione del cosmo più ampio da parte degli astronomi.

Potrebbe non essere una coincidenza, dice, che la regione con la più grande anisotropia cosmica apparente identificata da Migkas e dai suoi colleghi confina con il luogo dove sono più spessi i gas e le polveri che assorbono i raggi X della Via Lattea. “Essi affermano che la direzione dell’universo che appare problematica è proprio nel nostro punto cieco”, aggiunge Riess. “Sembra sospetto!”.

Anche David Spergel, cosmologo della Princeton University e del Flatiron Institute di New York City, sospetta che ci siano errori nelle misurazioni basate sugli ammassi, in parte perché molte altre tecniche forniscono risultati fortemente contrastanti.

“Questo articolo sarebbe molto importante se fosse vero, ma è molto improbabile che lo sia”, dice. “Abbiamo molti test molto più accurati dell’anisotropia basati sulle osservazioni del fondo cosmico a microonde e della struttura su larga scala. Queste osservazioni sono più semplici, più pulite e sono state riprodotte in molti modi diversi”. Le anisotropie alla scala suggerita dal nuovo studio, dice, porterebbero a fluttuazioni nella fondo a microonde mille volte più luminose di quelle osservate dagli astronomi.

Ciononostante, Migkas e i suoi colleghi sostengono che pronunciarsi decisamente contro o a favore di un universo asimmetrico richiede ulteriori e più complete prove sulla struttura cosmica su larga scala. Ora sono alla ricerca di ulteriori indizi di anisotropia dell’ammasso di galassie all’interno delle mappe del fondo cosmico a microonde e cercano di convalidare i loro studi sull’ammasso basati sui raggi X con osservazioni complementari negli infrarossi.

I risultati conclusivi potrebbero infine provenire da nuovi telescopi spaziali – come eROSITA, un osservatorio a raggi X tedesco-russo, o la prossima missione Euclide dell’Agenzia Spaziale Europea – che condurranno survey più profonde e più ampie degli ammassi in tutto il cielo.

“In generale, crediamo che sempre più persone dovrebbero studiare l’isotropia dell’universo e trovare nuovi metodi e strumenti per farlo, considerando l’enorme significato che questo ha per la cosmologia standard”, dice Migkas. “Sarebbe bello se sapessimo, una volta per tutte, se l’ultimo universo ha un aspetto isotropo o meno”.

Anomalie nella radiazione cosmica di fondo 

Alcune anomalie riguardanti la “radiazione di fondo” sono state recentemente confermate tramite il telescopio spaziale Planck dell’Agenzia Spaziale Europea (Esa).

Ricordiamo che Planck ha ricostruito una mappa, nella banda delle microonde, del neonato Universo (380.000 anni dopo il Big Bang) alla più alta risoluzione fino ad ora mai raggiunta.

Di queste anomalie già si mormorava timidamente in passato, ma ora Planck pare abbia sciolto ogni dubbio circa la loro reale esistenza. È stata, ad esempio, evidenziata un’asimmetria tra le temperature medie nei due emisferi opposti del cielo (fig.3, le parti blu sono le parti più fredde, le parti rosse quelle più calde), in contrasto con quanto predetto dal modello standard, secondo il quale l’Universo dovrebbe essere grosso modo simile in tutte le direzioni in cui lo osserviamo.

Questo fatto era già stato notato anche dal predecessore di Planck, la missione WMAP della NASA, ma era stato ignorato sia per i dubbi che permangono circa la sua origine cosmica, sia per la possibilità che potesse essere attribuito ad errori di misura. Allo stesso modo era stata notata anche la cosiddetta cold spot, una regione fredda (cerchiata in basso a destra nella fig.3) che si estende su una porzione di cielo molto più ampia del previsto, difficilmente spiegabile come semplice fluttuazione statistica.

Il quadro generale, a parte quest’ultimo punto, richiama un po’ alla mente la mappa della Cosmic Microwawe Background (CMB) trasmessa a terra nel 1990 dal satellite COBE (Cosmic Background Explorer). Per prima cosa, dai dati emerse uno spettro planckiano di un corpo nero alla temperatura media di 2,728 K che la comunità scientifica interpretò immediatamente come suggello definitivo alla teoria del big bang caldo.

In realtà la distribuzione della radiazione risultò quasi isotropa, infatti furono trovate due deviazioni sistematiche su grande scala. La prima è la cosiddetta anisotropia di dipolo è corrisponde a variazioni di temperatura dell’ordine di 0,001 K rispetto alla temperatura media (v. fig.4a).

In pratica la radiazione proveniente da versi opposti lungo una determinata direzione dava luogo a spettri diversi. Il risultato fu interpretato in termini di effetto Doppler a causa del nostro moto lungo una certa direzione.

radiazione cosmica di fondo
Fig 3

Quando parliamo di moto è inevitabile chiedersi rispetto a che cosa. Non certo rispetto alla radiazione di fondo, come molti un pò superficialmente ritengono. In realtà si tratta di una velocità del nostro punto d’osservazione rispetto ad un sistema di riferimento che non constaterebbe l’anisotropia.

In questo senso ritengo particolarmente lucida la disamina tratteggiata da Silvio Bergia.

Se sacrifichiamo un po’ di rigore a favore di un’immagine facilmente visualizzabile, possiamo supporre l’Universo come una sfera in espansione i cui costituenti elementari, le galassie, sono rappresentate da punti incastonati su di essa.

L’espansione dell’Universo, descrivibile attraverso la dilatazione del raggio della sfera, determina un aumento della distanza fra le galassie senza peraltro un effettivo moto di recessione di queste ultime attraverso lo spazio, quanto piuttosto uno “stiramento” dello spazio intergalattico.

Secondo questa lettura non si è quindi in presenza di un’espansione della materia in uno spazio prefissato, bensì di un’espansione dello spazio stesso. Tuttavia è noto che le galassie sono dotate anche di moti propri con velocità peculiari.

…..dobbiamo allora immaginare, istante per istante, di tempo cosmico e in corrispondenza di ogni dato punto dello spazio, un ideale sistema di riferimento non animato di velocità propria e dunque incastonato nello spazio che sarebbe proprio quel sistema di riferimento, sulla cui natura ci interrogavamo, dal quale non si verificherebbe l’anisotropia da dipolo. E se riscontriamo l’effetto, è perché siamo animati rispetto ad esso da un’intera gerarchia di moti, da quello della Terra attorno al Sole, a quello dell’ammasso di galassie di cui fa parte la Via Lattea…..

Universo
Fig 4a 4b 4c

In sostanza gli osservatori isotropi sono quelli di un substrato in espansione tanto che…. vi fu a suo tempo chi parlò, a buon diritto, di una reincarnazione dell’etere… anche se le circostanze e le motivazioni attuali sono alquanto diverse.

L’altra deviazione su grande scala dall’isotropia risultò concentrata lungo la Via Lattea ed è dovuta alla radiazione emessa dall’idrogeno ionizzato (v. fig.4b).

La comunità scientifica era peraltro ben consapevole che la radiazione di fondo avrebbe dovuto mostrare anche altre fluttuazioni del campo delle temperature in epoca primordiale, quando radiazione e materia interagirono per l’ultima volta.

Tali fluttuazioni risultano indispensabili per dare poi origine alle aggregazioni da cui sarebbero nate le galassie. Le deviazioni riscontrate da COBE furono dell’ordine di 0,00001 K rispetto alla temperatura media. La fig. 4c rappresenta esattamente queste irregolarità dopo aver sottratto il contributo dell’anisotropia di dipolo e della radiazione della nostra galassia.

Il modello di Universo in rotazione

Una possibile chiave di lettura potrebbe essere quella di ipotizzare una componente di moto rotazionale del substrato dell’Universo primordiale in grado di influenzare le future galassie. L’idea di un Universo in rotazione risale al 1949 quando il matematico Kurt Godel trovò nuove soluzioni delle equazioni di Einstein. In particolare ipotizzò che la tendenza naturale della gravità a comprimere il cosmo potesse venire bilanciata dalla forza centrifuga

“….e come l’Universo ordinario non ha un centro determinato di espansione, così il modello di Godel non ha un centro determinato di rotazione…ogni osservatore, qualunque sia la sua posizione, crederà di essere al centro di rotazione.”

Certo l’ipotesi di un Universo in espansione e al contempo in rotazione, apparentemente pone forse più domande che risposte, a cominciare dal dover definire il sistema di riferimento rispetto al quale dovrebbe ruotare, per non parlare poi delle cause di tale rotazione.

Nel nostro caso, riferendoci alla fig.5, la zona “rossa” (più calda) potrebbe essere interpretata come una zona in avvicinamento e quella “blu” (più fredda) in allontanemento rispetto ad osservatore posto sul satellite Planck, secondo quanto previsto dall’effetto Doppler.

L’anomalia della cold spot, la macchia fredda estesa che si trova nell’emisfero sud (v. fig.3 ), inspiegabile secondo la fisica convenzionale, secondo alcuni potrebbe essere la prima forte evidenza dell’esistenza di Universi paralleli al nostro (v. fig.6), in particolare potrebbe essere una sorta di “ammaccatura” generata da una collisione violenta con altro Universo.

La stessa asimmetria tra le temperature dei due emisferi potrebbe essere stata prodotta da interazioni con altri Universi che hanno generato, di fatto, una coppia di forze e da questa l’imprinting di una rotazione nella radiazione cosmica di fondo.

Universo
Fig. 5

L’idea di un multiverso non è del tutto nuova nello scenario della Fisica, basti pensare all’articolo pubblicato da Everett nel 1957, idea rielaborata da molti autori nell’ambito della meccanica quantistica che io stesso ho richiamato sviluppando alcune considerazioni termodinamiche a livello cosmologico.

È chiaro, a questo punto, che un’eventuale rotazione del nostro Universo verrebbe definita rispetto ad un sistema di riferimento gerarchicamente esteso che potremmo denominare il riferimento del multiverso, una sorta di reticolo (v. fig.6) nel quale sono inseriti vari Universi paralleli, un po’ come accade alle galassie rispetto al substrato di cui abbiamo parlato.

Universo
Fig. 6

Per quanto riguarda la prevalente rotazione sinistrorsa delle galassie dell’emisfero nord, partendo sempre da un osservatore posto nella nostra galassia, si può fornire una spiegazione in termini di forza di Coriolis, una forza presente anche sulla Terra è dovuta proprio alla rotazione del nostro pianeta.

Essa è responsabile della formazione di uragani e alisei: ad esempio nell’emisfero boreale un vento che soffia verso Nord, a causa della forza di Coriolis, viene deviato verso Est, mentre uno che soffia verso Sud, viene deviato verso Ovest.

Infine soffermiamoci su uno dei temi più oscuri della cosmologia contemporanea: recenti osservazioni sperimentali hanno rafforzato l’evidenza a favore di un’accelerazione cosmica. Osservando supernove del tipo 1a in galassie remote si è notato che la velocità di espansione dell’Universo in tali zone, invece di essere maggiore rispetto a quanto previsto dalla legge di Hubble, risultava minore, circostanza che documenta un’espansione accelerata.

Ricordiamoci infatti che osservare lontano nello spazio significa guardare indietro nel tempo, quindi la velocità di espansione riferita a supernove più lontane, e quindi più antiche, risulta più lenta di quelle più vicine e più recenti: in altri termini, nel passato l’espansione dell’Universo era più lenta o se si preferisce l’Universo sta accelerando. Sembra quindi che esista una forma di energia, che è stata denominata dark energy, in grado di esercitare una forza repulsiva.

Per l’esattezza le osservazioni più recenti attribuiscono alla materia visibile un contributo marginale del 4,9% alla densità di energia totale dell’Universo, alla materia oscura, priva di emissioni elettromagnetiche ma dominante a livello gravitazionale all’interno delle galassie, una frazione pari al 26,8% e alla dark energy una percentuale addirittura del 68,3%. In altri termini conosciamo ad un buon livello non più di un 5% del cosmo.

Einstein nel 1917, per rendere statico un Universo che sarebbe collassato sotto l’azione della forza di gravità, introdusse ad hoc una forza repulsiva definita attraverso la cosiddetta costante cosmologica il cui valore, opportunamente calibrato, avrebbe garantito una condizione di equilibrio.

Ben presto abbandonata, a seguito della scoperta che l’Universo è in espansione, oggi i cosmologi sono portati a riconsiderare tale costante, ma con un valore tale da generare un’espansione accelerata dell’Universo. I vincoli osservativi di alcuni parametri cosmologici ne impongono un limite superiore pari a 10^-51 m^ (-2).

Prevalentemente si ritiene che essa possa dipendere da fluttuazioni quantistiche del vuoto, argomento sul quale non intendo soffermarmi in questa sede, ma di fatto a tutt’oggi non abbiamo in mano ancora nulla di concreto.

Sulla scorta dell’ipotesi di un Universo in rotazione ammettiamo, per un momento, che la forza repulsiva, derivante dalla misteriosa dark energy, in realtà sia riconducibile ad una semplice forza centrifuga.

In particolare eguagliando l’energia di rotazione di un Universo costituito da materia visibile e materia oscura, che per semplicità ipotizziamo distribuite sfericamente, con l’energia derivante dal contributo della costante cosmolgica, si può dimostrare, dopo alcuni calcoli, che tale costante avrebbe un valore coerente con quanto previsto dai limiti osservativi.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. “Scientific American” il 15 aprile 2020
  2. Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LXT scaling relation – K. MigkasG. SchellenbergerT. H. ReiprichF. PacaudM. E. Ramos-Ceja and L. Lovisari – Received: 29 August 2019 Accepted: 17 February 2020
  3. Detection of a Dipole in the Handedness of Spiral Galaxies with Redshifts z ~ 0.04, M. J. Longo, Physics Letters B (2011)
  4. Relatività e fisica delle particelle elementari, S. Bergia, Carrocci Editore (2009)
  5. L’Universo frattale, Bersani G. F., Scienza e Conoscenza (2013)
  6. Relative state formulation of Quantum Mechanics, H. Everett, Reviwes of Modern Physics, Vol.29, n.3 (1957)
  7. L’Universo in una bomboletta spray, Bersani G. F., Scienza e Conoscenza  (2012)
  8. Al suo barbiere Einstein la raccontava così, R. L. Wolke, Universale Economica Feltrinelli (2001)
  9. Introduzione alla cosmologia, F. Lucchin, Zanichelli (1990)
  10. Costruire la macchina del tempo, viaggio attraverso i buchi neri e i cunicoli spazio temporali, J. Gribbin, Aporie Edizioni (1996)
  11. M. Iye, H. Sugai, Astrophys. J. 374 (1991) 112.
  12. Amici della Scienza
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