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Il problema dell’orizzonte cosmologico e l’universo inflazionario

“E’ inconcepibile alla mente che oltre il 90% delle galassie nell’universo debbano ancora essere studiate. Chissà cosa troveremo quando osserveremo queste galassie con la prossima generazione di telescopi “, afferma l’astronomo Christopher Conselice, che ha guidato il team scoprendo che nell’universo ci sono dieci volte più galassie di quanto si pensava in precedenza.

Nel 2016, gli astronomi  utilizzando i dati dei telescopi spaziali Hubble della NASA / ESA e altri telescopi, hanno censito accuratamente il numero di galassie, giungendo alla sorprendente conclusione che ci sono almeno 10 volte più galassie nell’universo osservabile. L’immagine stessa è stata prodotta dalla Frontier Fields Collaboration (uno sforzo congiunto tra i telescopi spaziali Hubble, Spitzer e Chandra della NASA) che consente agli scienziati di osservare galassie fino a 100 volte più deboli di quelle rilevate prima.

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Uno dei misteri fondamentali in astronomia è proprio il numero di galassie che l’universo contiene. Le immagini di Hubble Deep Field, catturate a metà degli anni ’90, rivelarono un numero incalcolabile di deboli galassie. È stato stimato che l’Universo osservabile contiene tra 100 e 200 miliardi di galassie. Il team internazionale, guidato da Conselice dell’Università di Nottingham, nel Regno Unito, ha dimostrato che questa cifra è almeno dieci volte troppo bassa.

Conselice e il suo team hanno raggiunto questa conclusione utilizzando immagini dello spazio profondo di Hubble, i dati del lavoro precedente della sua squadra e altri dati pubblicati. Hanno accuratamente trasformato le immagini in 3D, al fine di effettuare misurazioni accurate del numero di galassie in tempi diversi nella storia dell’Universo.

Inoltre, usando nuovi modelli matematici sono riusciti a dedurre l’esistenza di galassie che l’attuale generazione di telescopi non può osservare. Ciò ha portato alla sorprendente conclusione che circa il 90% delle galassie nell’Universo osservabile è in realtà troppo debole e troppo lontano per essere osservato, per ora. Poichè una misteriosa forza latente nello spazio vuoto spinge le galassie l’una contro l’altra, tutto ciò che la specie umana sarà in grado di vedere dopo cento miliardi di anni, sarà la stella morta e morente del nostro Gruppo Locale.

Possiamo vedere solo un numero finito di galassie perché c’è un orizzonte, un guscio intorno a noi, che delinea la massima distanza dalla quale la luce può raggiungerci. Ma quel guscio, osserva l’astronomo Martin Rees, “ha lo stesso significato fisico del cerchio che delinea il tuo orizzonte se sei nel mezzo dell’oceano”.

Analizzando i dati, il team ha guardato a oltre 13 miliardi di anni nel passato, osservando che la distribuzione di galassie non è stata poi così omogenea nella storia dell’Universo. In effetti, sembra che oggi ci sia una densità di galassie 10 volte inferiore a quando aveva solo pochi miliardi di anni. La maggior parte di queste galassie erano relativamente piccole e deboli, con masse simili a quelle delle galassie satelliti che circondano la Via Lattea.

Questi risultati sono una prova evidente che un’evoluzione significativa ha avuto luogo in tutta la storia dell’Universo, un’evoluzione durante la quale le galassie si sono unite, riducendo drasticamente il loro numero totale. “Questo ci dà una verifica della cosiddetta formazione top-down della struttura nell’universo”, spiega Conselice.

Il numero decrescente di galassie con il passare del tempo contribuisce anche alla soluzione del paradosso di Olbers  (perché il cielo è buio di notte). L’astronomo Heinrich Olbers sosteneva che il cielo notturno dovesse essere permanentemente inondato da luce, perché in un universo immutabile pieno di un numero infinito di stelle, ogni singola parte del cielo doveva essere occupata da un oggetto luminoso. Tuttavia, la nostra moderna comprensione è che l’universo sia finito e dinamico, non infinito e statico.

Tuttavia la maggior parte di queste galassie sono invisibili all’occhio umano e persino ai moderni telescopi, grazie a una combinazione di fattori: il redshift della luce, la natura dinamica dell’universo e l’assorbimento della luce da parte della polvere e del gas intergalattico, che combinandosi ci assicurano che il il cielo notturno rimane buio. Gli astronomi sono convinti che il volume dello spazio-tempo nel raggio d’azione dei nostri telescopi, “l’universo”, sia solo una piccola parte del Big Bang. “Ci aspettiamo che molte galassie si trovino oltre l’orizzonte, inosservabile”, conclude Rees, “ognuna delle quali si evolverà come la nostra.”

Il problema dell’orizzonte cosmologico

Dato che la velocità della luce è finita, e corrisponde a circa 299.792,5 km/s, quella che ci arriva oggi da galassie molto distanti è partita milioni o miliardi di anni fa, e quindi ci fornisce un’immagine di come queste erano milioni o miliardi di anni prima, durante le prime fasi della loro vita. Più distante è un oggetto nello spazio, più ‘giovane’ lo vediamo. La galassia più vicina alla nostra, quella di Andromeda, dista da noi ‘soltanto’ due milioni di anni luce, ma con gli attuali strumenti è possibile osservare galassie e quasar distanti anche 13 miliardi di anni luce, cioè quando l’Universo era ancora molto giovane.

La loro osservazione è di estremo interesse per i cosmologi, dato che può fornire informazioni sull’Universo nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang. Per questo motivo sono stati costruiti strumenti astronomici come il Telescopio Spaziale Hubble ed i nuovi telescopi giganti a terra

Non tutto l’Universo, comunque, è accessibile alle nostre osservazioni, indipendentemente dalla potenza degli strumenti astronomici: se osserviamo per esempio una galassia distante 10 miliardi di anni luce, possiamo osservarla soltanto com’era 10 miliardi di anni fa, ma non com’era, poniamo, 8 miliardi di anni fa. La luce che essa ha emesso in quel momento ci arriverà solo tra 2 miliardi di anni.
Ovvero, in ogni istante ci sono settori dello spazio e del tempo (o meglio, dello spaziotempo) che sono a noi inaccessibili, così come parte del nostro passato è inaccessibile a galassie lontane.

Questo limite definisce il cosiddetto orizzonte cosmologico, cioè quel settore dello spaziotempo accessibile a noi. Di tutto quello che sta al di fuori dell’orizzonte non possiamo avere informazioni. L’orizzonte cosmologico ha costituito un problema per la teoria del Big Bang. Se due oggetti nello spazio sono in grado di comunicare tra loro per mezzo di un ‘segnale’ (meccanico o luminoso), si dice che sono in contatto causale, nel senso che l’uno può provocare nell’altro un effetto, in conseguenza del segnale che gli invia (per esempio una perturbazione meccanica, o un irraggiamento luminoso).

I segnali viaggiano nello spazio ad una velocità finita, uguale o minore di c (la velocità della luce nel vuoto) a seconda che non o abbiamo massa, quindi gli effetti di un segnale emesso da un oggetto sull’altro, si faranno sentire solo un certo tempo, tanto maggiore tanto più distanti essi sono. La regione dello spaziotempo entro la quale un corpo può avere con altri una relazione causa-effetto, si dice orizzonte causale anche se in alcuni casi viene chiamato orizzonte-particella.

orizzonte cosmologico
Quando si guarda la radiazione cosmica di fondo, questa proviene da una distanza di 46 miliardi di anni luce, anche se quando la luce fu emessa l’universo era molto più giovane (circa 300 000 anni). In quel tempo la luce avrebbe raggiunto la distanza rappresentata dai cerchi più piccoli. I due punti indicati nel diagramma non erano in grado di entrare in contatto poiché le loro sfere di causalità non si sovrappongono.Dove sta il problema?

Dove sta il problema? Anche se vi sono addensamenti di galassie ed ammassi e regioni relativamente ‘vuote’, l’Universo appare nel complesso omogeneo e isotropo (cioè ha le stesse proprietà nei vari punti dello spazio e nelle varie direzioni). Anche regioni dell’Universo tra loro molto lontane, ciascuna al di fuori dell’orizzonte causale dell’altra, sembrano avere proprietà simili. Nemmeno la luce, il segnale che viaggia più velocemente, avrebbe potuto metterle in contatto causa-effetto nel tempo trascorso. Come hanno fatto allora a comunicarsi le informazioni che hanno permesso loro di ‘accordarsi’ su proprietà simili ?

Nei primi anni ’80, Alan Guth propose una modifica al modello classico del Big Bang, il cosiddetto modello inflazionario. Esso prevede che nei primi istanti di vita dopo il Big Bang, precisamente dopo 10-35 secondi, l’Universo abbia subito una rapidissima espansione, detta inflazione, che nel giro di mille unità di tempo si è conclusa 10-32 secondi dopo il Big Bang; il Cosmo aveva aumentato, in un tempo così piccolo, le sue dimensioni di un fattore 1050.
Dopo questa fase, l’evoluzione sarebbe proseguita secondo la teoria classica del Big Bang. Prima della fase inflattiva l’Universo era così piccolo che parti di materia, che adesso sono al di fuori dei rispettivi orizzonti causali, potevano trovarsi in contatto causa-effetto. Viene così risolto il problema dell’orizzonte.

Qual è stata la causa del fenomeno inflazionario? Secondo le ipotesi correnti, essa va ricercata nell’ambito della Grande Unificazione (G.U.T.) delle quattro interazioni fondamentali: la forza gravitazionale, quella elettromagnetica, quella nucleare debole e nucleare forte. Le quattro forze della natura sarebbero manifestazioni diverse di un’unica interazione; attenzione: in questo breve scritto non si tratta l’ultima forza scoperta da un’equipe italiana, la forza gravito magnetica, in quanto troppo recente come scoperta, perché si possa affermare con certezza come possa essere inquadrata nel contesto generale.

Alle altissime temperature e densità dei primi istanti di vita dell’Universo, esse erano indistinguibili; si sarebbero poi diversificate nel tempo, via via che l’Universo si raffreddava e si espandeva, generando ogni volta una transizione di fase, liberando energia che ‘riscaldava’ nuovamente l’universo e producendo classi ben precise di particelle subatomiche. Queste classi di particelle segnano ciascuna separazione tra le forze, al punto che le varie ‘ere di separazione’ vengono identificate con le particelle prodotte principalmente in quel preciso momento.

Fu proprio durante questo processo di diversificazione che avvenne l’inflazione, come conseguenza della rottura di simmetria tra la forza gravitazionale e le restanti tre. La separazione dell’ambito di influenza reciproco, potrebbe aver liberato un’energia così spaventosamente grande da far letteralmente esplodere l’Universo, al punto che dalle dimensioni più piccole di una particella subatomica alla fine si ritrovò più grande di un ammasso di galassie.

Soluzione, il modello di Guth

Dato che la velocità della luce e’ finita, anche se molto grande, quella che ci arriva oggi da galassie molto distanti e’ partita milioni o miliardi di anni fa, quindi ci fornisce un’immagine di come queste erano milioni o miliardi di anni prima, durante le prime fasi della loro vita. Più distante e’ un oggetto nello spazio, più “giovane” lo vediamo.La galassia più vicina alla nostra, quella di Andromeda, dista da noi “soltanto” due milioni di anni luce, ma con gli attuali strumenti e’ possibile osservare galassie e quasar distanti anche 13 miliardi di anni luce, cioè molto giovani.

Come abbiamo visto, più una galassia e’ distante e più velocemente si allontana da noi. Dato che la velocità di allontanamento di una galassia viene misurata tramite il redshift (spostamento verso il rosso) del suo spettro, le galassie lontanissime vengono dette “galassie ad alto redshift”.La loro osservazione e’ di estremo interesse per i cosmologi, dato che può fornire informazioni sull’Universo nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang.

universo inflazionario
La storia dell’Universo. Questa illustrazione riassume la storia dell’evoluzione dell’universo che iniziò 13,82 miliardi di anni fa. Essa mostra i principali eventi che si sono verificati tra la fase iniziale del cosmo – in cui le sue proprietà erano quasi uniformi, punteggiate solo da fluttuazioni minime – fino alla ricca varietà di strutture cosmiche che osserviamo oggi, che vanno dalle stelle ai pianeti, dalle galassie agli ammassi di galassie (cluster).
La missione effettuata da Planck ha permesso di realizzare la mappa più precisa attualmente, della più antica luce che proviene dal nostro universo: “La Radiazione Cosmica di Fondo (CMB)”, ripercorrendo il tempo a ritroso fino ad arrivare a 400.000 anni dopo il Big Bang. I modelli di luce in questa mappa riflettono non solo gli eventi accaduti pochi attimi dopo il Big Bang, ma anche il lungo viaggio della luce. Attraverso lo studio di questi modelli, gli scienziati possono scoprire le origini, il destino e gli ingredienti del nostro universo. Planck è una missione dell’Agenzia Spaziale, realizzata con la partecipazione dalla NASA. Riferimento: NASA – The Story of Universe

Per questo motivo sono stati costruiti strumenti astronomici come il Telescopio Spaziale Hubble e i nuovi telescopi giganti a terra. Questi ultimi hanno diametri di 8-10 metri e sono dotati di particolari ottiche per correggere le deformazioni delle immagini dovute al disturbo atmosferico. Questi strumenti saranno in grado di compiere osservazioni sempre più profonde dello spazio, cioè sempre più indietro nel tempo.

Non tutto l’Universo, comunque, e’ accessibile alle nostre osservazioni, indipendentemente dalla potenza degli strumenti astronomici: se osserviamo per esempio una galassia distante 10 miliardi di anni luce, possiamo osservarla soltanto com’era 10 miliardi di anni fa, ma non com’era, poniamo, 8 miliardi di anni fa: la luce che essa ha emesso in quel momento ci arriverà solo tra 2 miliardi di anni. Ovvero, in ogni istante ci sono settori dello spazio e del tempo (o meglio, dello spazio-tempo) che sono a noi inaccessibili, così come parte del nostro passato e’ inaccessibile a galassie lontane.

Questo definisce il cosiddetto “orizzonte cosmologico”, cioè quel settore dello spazio-tempo accessibile a noi. Di tutto quello che sta al di fuori dell’orizzonte non possiamo avere informazioni. L’orizzonte cosmologico ha costituito un problema per la teoria del Big Bang.Se due oggetti nello spazio sono in grado di comunicare tra loro per mezzo di un “segnale” (meccanico o luminoso), si dice che sono in contatto causale, nel senso che l’uno può provocare nell’altro un effetto, in conseguenza del segnale che gli invia (per esempio una perturbazione meccanica, o un irraggiamento luminoso).

I segnali viaggiano nello spazio ad una velocità finita, quindi gli effetti di un segnale emesso da un oggetto sull’altro, si faranno sentire solo dopo un certo tempo, tanto maggiore tanto più distanti essi sono. La regione dello spazio-tempo entro la quale un corpo può avere con altri una relazione causa-effetto, si dice “orizzonte causale”.Dove sta il problema ? Anche se vi sono addensamenti di galassie ed ammassi e regioni relativamente “vuote”, l’Universo appare nel complesso omogeneo e isotropo (cioè ha le stesse proprietà nei vari punti dello spazio e nelle varie direzioni).

Anche regioni dell’Universo tra loro molto lontane, ciascuna al di fuori dell’orizzonte causale dell’altra, sembrano avere proprietà simili. Nemmeno la luce, il segnale che viaggia più veloce, avrebbe potuto metterle in contatto causa-effetto. Come hanno fatto allora a comunicarsi le informazioni che hanno permesso loro di “accordarsi” su proprietà simili ?

Nei primi anni ’80, Alan Guth propose una modifica al modello classico del Big Bang, il cosiddetto “modello inflazionario”. Esso prevede che nei primi istanti di vita dopo il Big Bang, precisamente dopo 10-35  secondi, l’Universo abbia subito una rapidissima espansione, detta “inflazione”, che nel giro di 10-32  secondi ha aumentato le sue dimensioni di un fattore 1050. Dopo questa fase, l’evoluzione sarebbe proseguita secondo la teoria classica del Big Bang. Prima della fase inflattiva l’Universo era così piccolo che le galassie che adesso sono al di fuori dei rispettivi orizzonti causali potevano trovarsi in contatto causa-effetto. Viene così risolto il problema dell’orizzonte, così come altri problemi della teoria classica del Big Bang.

Qual e’ stata la causa del fenomeno inflazionario? Secondo Guth, essa va ricercata nell’ambito delle teorie recenti della fisica, che cercano di unificare le quattro interazioni fondamentali: la forza gravitazionale, quella elettromagnetica, quella debole e quella nucleare forte. Queste quattro forze sarebbero manifestazioni diverse di un’unica interazione.Alle altissime temperature e densità dei primi istanti di vita dell’Universo, esse erano la stessa cosa; si sarebbero poi diversificate nel tempo, via via che l’Universo si raffreddava e si espandeva. Fu proprio durante questo processo di diversificazione che avvenne l’inflazione.

INFN LNF – Laboratori Nazionali di Frascati – Paolo De Bernardis, Univ. Sapienza Roma. E’ possibile osservare regioni di universo così distanti che le vediamo come erano miliardi di anni fa. Usando la radiazione cosmica di fondo, è possibile osservare l’universo come era 13.7 miliardi di anni fa, e 380000 anni dopo il big bang, quando l’universo era un plasma incandescente 1 miliardo di volte maggiore di oggi, ad una temperatura 1000 volte maggiore di quella odierna. Queste misure consentono di ottenere informazioni sulla fisica dell’universo primordiale, sulla sua evoluzione, sulla composizione e geometria a grande scala dell’universo. Nella relazione si descrive la problematica scientifica e le metodologie fisiche utilizzate per questo tipo di ricerche. Infine si descrivono gli esperimenti che cercano di osservare fenomeni fisici avvenuti in epoche ancora più remote, pochi attimi dopo il Big-Bang, utilizzando lo stato di polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. E’ quanto stanno facendo i recenti esperimenti BICEP2 e Planck, dei quali si discutono brevemente i risultati. Incontri di Fisica – 8 ottobre 2014 INFN – Laboratori Nazionali di Frascati Auditorium B. Touschek

Critiche alla teoria dell’Inflazione

Paul Steinhardt, uno dei fondatori della teoria dell’inflazione, negli ultimi anni è diventato molto critico verso di essa. Inizialmente, di fronte alla conferma dell’inflazione con i dati di BICEP2, ha abbandonato la sua teoria dell’universo ecpirotico per rivedere la sua posizione sul modello inflazionario, ma poco tempo dopo è ritornato scettico su quest’ultimo.

I critici lamentano anche la mancanza di falsificabilità, che renderebbe la teoria non scientifica.

Sir Roger Penrose, proponente un tempo del Big Bang classico e oggi di una teoria denominata cosmologia ciclica conforme (CCC) afferma che, di fronte ai propri risultati teorici e alle osservazioni successive (che invece, secondo molti, confermerebbero l’inflazione), le teorie maggioritarie tra i fisici non sono secondo lui verificate: in particolare la teoria inflazionistica – da lui sempre criticata – è definita una «fantasia», mentre la teoria delle stringhe è liquidata come fenomeno di «moda» e una «fede», su cui i fisici insisterebbero erroneamente come scorciatoie che vanno contro la relatività generale, come già fecero con la supersimmetria o le molte interpretazioni iniziali della relatività, finché Einstein sistemò la teoria con i suoi calcoli, dove tutti gli altri fallirono. Riguardo alla teoria inflazionaria ha dichiarato:

«Quando ne sentii parlare la prima volta provai orrore. Serve a spiegare perché l’Universo è uniforme e piatto: la fase di espansione rapidissima, chiamata inflazione e verificatasi pochi istanti dopo il Big bang, avrebbe stirato e appiattito tutte le irregolarità. Ma c’è bisogno di una fisica inventata ad hoc, a cominciare dall’inflatone, particella la cui esistenza serve solo a giustificare l’inflazione. È una teoria “artificiale”, che non risolve il problema fondamentale sull’origine dell’Universo: cos’è davvero il Big bang? L’esplosione da cui tutto ha avuto origine non è, come si potrebbe immaginare, l’inverso di un buco nero che collassa su se stesso. Mentre nel collasso di un buco nero la massa è dominata dalla gravità, nel Big bang la gravità è soppressa. E l’inflazione non spiega perché.» Roger Penrose

Ad esempio, secondo i critici, non si potrebbe vedere un lampo di luce del presunto Big Bang, se la velocità della luce non fosse in ogni caso superiore a quella delle galassie in allontanamento, mentre l’inflazione sostiene che l’espansione fu più veloce della luce, ma allo stesso tempo noi vedremmo le tracce di quella luce primordiale; nella CCC non ci sarebbero queste contraddizioni. Inoltre i risultati di BICEP2 sembrano in conflitto con quelli raccolti successivamente da Planck Surveyor.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Stephen Hawking, La teoria del tutto. Origine e destino dell’universo
  2. A. H. Guth, The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness ProblemsPhys. Rev. D 23, 347 (1981).
  3. Martin A.Bucher e David N.Sperger, L’inflazione ad un universo a bassa densità, “Le Scienze”, num. 367, pag. 54-61
  4. Media INAF: Inflazione: c’è la prova, su media.inaf.it.
  5.  Seven-Year Wilson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results (PDF), nasa.gov. 
  6. Boggess, N.W., J.C. Mather, R. Weiss, C.L. Bennett, E.S. Cheng, E. Dwek, S. Gulkis, M.G. Hauser, M.A. Janssen, T. Kelsall, S.S. Meyer, S.H. Moseley, T.L. Murdock, R.A. Shafer, R.F. Silverberg, G.F. Smoot, D.T. Wilkinson, and E.L. Wright, The COBE Mission: Its Design and Performance Two Years after the launch, in Astrophysical Journal, vol. 397, nº 2, 1992, p. 420, Bibcode:1992ApJ…397..420B, DOI:10.1086/171797.

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