Prove per l’anisotropia dell’accelerazione cosmica

L’espansione accelerata dell’Universo è stata osservata nel 1998, ed è valsa il premio Nobel per la Fisica del 2011, e ad oggi ci sono più di 740 oggetti che presentano questa caratteristica. L’interpretazione classica di questo fenomeno è la presenza di Dark Energy, una misteriosa forma di energia che comporrebbe il 70% del nostro Universo.

Il professor Subir Sarkan del Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics (Oxford), insieme a collaboratori provenienti dall’Institut d’Astrophysique di Parigi e dal Niels Bohr Institute di Copenhagen, ha utilizzato i dati provenienti dall’osservazione di circa 740 Superovae di tipo I per mostrare come l’espansione accelerata dell’Universo posso dipendere da un effetto locale. Potrebbe essere un altro duro colpo all’ipotesi dell’energia oscura dopo che un esperimento aveva già fallito nel rilevarla.

L’accelerazione sembra essere diretta nel verso del moto della galassia rispetto al Fondo Cosmico a Microonde (CMB), in maniera simile al dipolo galattico che osserviamo sulla CMB. Il Professor Sarkan spiega: “Il Modello Cosmologico Standard si basa sull’ipotesi che l’Universo sia isotropo e omogeneo. È un estensione del Principio Copernicano per cui noi non siamo osservatori privilegiati rispetto a qualunque altro nell’Universo.”

Quando i dati sono interpretati secondo questa teoria si arriva all’incredibile risultato che il cosmo deve essere riempito per il 70% da una misteriosa forma di energia, la Dark Energy appunto, che non abbiamo mai osservato. Generalmente viene definita come l’energia del vuoto dovuta alle fluttuazioni quantistiche, ma i calcoli attuali prevedono una differenza enorme tra il valore teorico e quello misurato.

Andando contro a questo paradigma, il professo Sarkan, Jacques Colin e Roya Mohayaee (Institut d’Astrophysique, Paris) e Mohamed Rameez (Niels Bohr Institute, Copenhagen) hanno indagato l’esistenza della Dark Energy, verificando che l’accelerazione (ipotizzata) fosse uniforme.

In primo luogo abbiamo utilizzato i redshift delle supernovae nel nostro catalogo, non effettuando le correzioni che erano state fatte sul catalogo JLA (Joint Lightcurve Analysis) per le velocità locali. Questo è stato fatto per determinare la loro velocità nel sistema di riferimento della CMB; tuttavia un precedente lavoro del nostro team aveva già mostrato come queste correzioni fossero sospette, perché le velocità peculiari non si azzerano con l’aumentare della distanza,” dice il professor Sarkan.

Applicando degli estimatori statistici, la likelihood, hanno trovato che l’ipotesi che l’accelerazione sia dovuta a effetti locali ha una confidenza di 3.9σ, mentre l’attuale interpretazione ha solo una confidenza di 1.4σ. Utilizzando i criteri dell’informazione Bayesiana la prima ipotesi risulta quella più realistica.

Il professor Sarkan conclude: “Ulteriori progressi verranno fatti, il Large Synoptic Survey Telescope misurerà il redshift di molti oggetti e potrà supportare o smentire la nostra ipotesi”.

Questa interpretazione dell’espansione dell’Universo potrebbe risolvere molti problemi con l’attuale modello standard della cosmologia e rendere obsolete molte teorie sulla Dark Energy. Aspettiamo notizie a breve, in attesa del satellite Euclid che potrebbe fornire nuovi e interessanti dati.

Prove per anisotropia dell’accelerazione cosmica

L’accelerazione osservata del tasso di espansione di Hubble è stata attribuita a una misteriosa “energia oscura” che presumibilmente costituisce circa il 70% dell’universo. Il professor Subir Sarkar del Rudolf Peierls Center for Theoretical Physics, Oxford, insieme a collaboratori dell’Istituto di astrofisica di Parigi e dell’Istituto Niels Bohr di Copenaghen, hanno utilizzato le osservazioni delle supernovave di tipo Ia 740 per dimostrare che questa accelerazione è un effetto relativamente locale è diretto lungo la direzione in cui sembra che ci stiamo muovendo rispetto allo sfondo cosmico a microonde (che presenta un’anisotropia dipolo simile). Mentre la ragione fisica di questa accelerazione è sconosciuta, non può essere attribuita all’energia oscura che avrebbe causato la stessa accelerazione in tutte le direzioni.

parametro di decelerazione
Il ‘parametro di decelerazione’ cosmico dedotto dal catalogo JLA delle supernovae di tipo Ia è negativo (cioè il tasso di espansione sta accelerando), ma è principalmente un dipolo (q d ), cioè in una direzione specifica, mentre il suo monopolo (q m ) Il componente è vicino allo zero. L’attuale modello cosmologico standard (indicato da una stella blu) che ha q m = -0,55, q d = 0, è escluso a oltre 4σ. Credito: astronomia e astrofisica

Il professor Sarkar spiega: “Il modello cosmologico standard si basa sul presupposto che l’Universo sia isotropo attorno a tutti gli osservatori. Questo principio cosmologico è un’estensione del principio copernicano, vale a dire che non siamo osservatori privilegiati. Offre una vasta semplificazione nella costruzione matematica del modello cosmologico usando la teoria della relatività generale di Einstein. Tuttavia, quando i dati osservativi sono interpretati in questo quadro, siamo portati alla sorprendente conclusione che circa il 70% dell’universo è costituito dalla costante cosmologica di Einstein o più in generale “energia oscura”. Ciò è stato interpretato come dovuto alle fluttuazioni quantiche del punto zero del vuoto, ma la scala di energia associata è impostata da H0, l’attuale velocità di espansione dell’universo. Questo è comunque un fattore di 10 44 al di sotto della scala energetica del modello standard di fisica delle particelle: la teoria del campo quantistico ben consolidata che descrive con precisione tutti i fenomeni subatomici. Le sue fluttuazioni del punto zero hanno quindi un’enorme densità di energia che avrebbe impedito all’universo di raggiungere la sua età e dimensione attuali se influenzassero davvero il tasso di espansione tramite la gravità. A questo costante problema cosmologico si deve aggiungere il “perché adesso?” problema, ovvero perché l’energia oscura è arrivata a dominare l’universo solo di recente? Era trascurabile in epoche precedenti, in particolare a circa 400.000 anni quando il plasma primordiale si raffreddò sufficientemente per formare atomi e fu rilasciata la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) (quindi il CMB non è direttamente sensibile all’energia oscura). ”

È in questo contesto che, insieme a Jacques Colin e Roya Mohayaee (Institut d’Astrophysique, Parigi) e Mohamed Rameez (Niels Bohr Institute, Copenaghen), ha iniziato a esaminare se l’energia oscura esiste davvero. Le prove primarie – premiate con il premio Nobel per la fisica nel 2011 – riguardano la “scoperta dell’espansione accelerata dell’universo attraverso osservazioni di supernovae distanti” nel 1998 da due squadre di astronomi. Questo si basava su osservazioni di circa 60 supernove di tipo Ia, ma nel frattempo il campione era cresciuto e, nel 2014, i dati sono stati resi disponibili per 740 oggetti sparsi nel cielo (catalogo Joint Lightcurve Analysis).

I ricercatori hanno cercato di vedere se l’accelerazione del tasso di espansione di Hubble fosse uniforme nel cielo.

“In primo luogo, abbiamo elaborato i redshift della supernova e le magnitudini apparenti misurate (nel sistema eliocentrico), annullando le correzioni che erano state apportate nel catalogo JLA per le velocità locali” peculiari “(non Hubble). Questo era stato fatto per determinare i loro valori nel frame CMB in cui l’universo dovrebbe apparire isotropico; tuttavia, i precedenti lavori del nostro team avevano dimostrato che tali correzioni sono sospette perché velocità peculiari non diminuiscono con l’aumentare della distanza, quindi non c’è convergenza con il frame CMB anche se le distanze sonodell’ordine del miliardo di anni luce “, afferma il professor Sarkar.

radiazione cosmica di fondo
Nelle incertezze il vettore di accelerazione è allineato con il dipolo nella radiazione cosmica di fondo a microonde (indicata da una stella nera). Credito: astronomia e astrofisica

Energia oscura

“Quando abbiamo applicato la statistica standard della massima verosimiglianza per estrarre i valori dei parametri, abbiamo fatto una scoperta sorprendente. I dati della supernova indicano, con un significato statistico di 3,9σ, un’anisotropia del dipolo nell’accelerazione inferita (vedi figura) nella stessa direzione mentre ci stiamo muovendo localmente, che è indicato da un dipolo simile, ben noto, nella CMB. Al contrario, qualsiasi accelerazione isotropica (monopolo) che può essere attribuita all’energia oscura è 50 volte più piccola e coerente con l’essere zero a 1.4σ Secondo il criterio di informazione bayesiana, il miglior adattamento ai dati non ha, infatti, alcuna componente isotropica: abbiamo dimostrato che consentire l’evoluzione con spostamento verso il rosso dei parametri utilizzati per adattarsi alle curve di luce della supernova non cambia la conclusione, confutando così le precedenti critiche del nostro metodo.

“La nostra analisi è basata sui dati ma supporta la proposta teorica dovuta a Christos Tsagas (Università di Salonicco) secondo cui l’accelerazione può essere dedotta quando non siamo osservatori copernicani, come di solito si presume, ma siamo integrati in un flusso di massa locale condiviso dalle galassie vicine come è effettivamente osservato. Ciò è inaspettato nel modello cosmologico standard e la ragione di tale flusso rimane inspiegabile. Ma indipendentemente da ciò, sembra che l’accelerazione sia un artefatto del nostro flusso locale, quindi l’ energia oscura non può essere invocata come causa.

“Esistono, in effetti, altre sonde della nostra storia di espansione, ad esempio l’impronta delle oscillazioni barioniche acustiche (BAO) nella distribuzione delle galassie, le età delle stelle più antiche, il tasso di crescita della struttura, ecc., Ma tali dati sono ancora troppo rado e attualmente ugualmente ben coerente con un universo non accelerato. Le fluttuazioni di temperatura misurate con precisione nel CMB non sono direttamente sensibili all’energia oscura, sebbene la sua presenza sia di solito dedotta dalla regola della somma che mentre il CMB misura la curvatura spaziale dell’universo vicino allo zero, il suo contenuto di materia non si aggiunge alla densità critica per renderlo tale. Questo, tuttavia, è vero solo sotto i presupposti di omogeneità esatta e isotropia – che sono ora in questione. ”

Il professor Sarkar conclude: “Ma presto verranno compiuti progressi. Il Large Synoptic Survey Telescope misurerà molte più supernovae e confermerà o escluderà un dipolo nel parametro di decelerazione. Lo strumento di energia spettroscopica di energia oscura e il satellite Euclid misureranno con precisione BAO e lente. European Extremely Large Telescope misurerà la ‘deriva rossa’ di fonti distanti per un periodo di tempo e quindi effettuerà una misurazione diretta della storia di espansione dell’universo “.

Energia oscura: un nuovo esperimento potrebbe risolvere uno dei più grandi misteri dell’universo

Il 22 ottobre, lo Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI ) sul Mayall Telescope in Arizona, negli Stati Uniti, ha raggiunto la prima luce. Questo è un enorme passo avanti nella nostra capacità di misurare le distanze della galassia, consentendo una nuova era di mappatura delle strutture nell’universo. Come indica il nome, può anche essere la chiave per risolvere una delle più grandi domande in fisica: qual è la forza misteriosa soprannominata ” energia oscura ” che costituisce il 70 percento dell’universo?

Il cosmo è scomodo. Le galassie vivono insieme in gruppi da poche a decine di galassie . Esistono anche gruppi di alcune centinaia o migliaia di galassie e super cluster che contengono molti di questi cluster.

Questa gerarchia dell’universo è stata conosciuta dalle prime mappe dell’universo, che sembrava un “stickman” nei grafici dal pionieristico Redshift Survey del Center for Astrophysics (CfA) . Queste immagini impressionanti furono la prima vista di strutture su larga scala nell’universo, alcune attraversate da centinaia di milioni di anni luce.

L’indagine CfA è stata faticosamente costruita con una galassia alla volta. Ciò ha comportato la misurazione dello spettro della luce della galassia, una divisione della luce per lunghezza d’onda o colore e l’identificazione delle impronte digitali di alcuni elementi chimici (principalmente idrogeno, azoto e ossigeno).

Queste firme chimiche vengono sistematicamente spostate su lunghezze d’onda più lunghe a causa dell’espansione dell’universo. Questo “spostamento rosso” è stato scoperto per la prima volta dall’astronomo Vesto Slipher e ha dato origine all’ormai famosa Legge di Hubble, l’osservazione che galassie più distanti sembrano allontanarsi a una velocità maggiore. Ciò significa che le galassie vicine sembrano allontanarsi in modo relativamente lente: sono meno spostate verso il rosso rispetto alle galassie lontane. Pertanto, misurare il redshift di una galassia è un modo per misurare la sua distanza.

energia oscura
Mappa SDSS. Ogni punto è una galassia. Credito: M. Blanton e SDSS

Fondamentalmente, la relazione esatta tra spostamento verso il rosso e distanza dipende dalla storia di espansione dell’Universo che può essere calcolata teoricamente usando la nostra teoria della gravità e le nostre assunzioni della materia e della densità di energia dell’universo.

Tutti questi presupposti sono stati alla fine testati all’inizio del secolo con la combinazione di nuove osservazioni sull’universo, comprese le nuove mappe 3D di rilevamenti di grandi spostamenti verso il rosso. In particolare, Sloan Digital Sky Survey (SDSS) è stato il primo telescopio dedicato al rilevamento del redshift a misurare oltre un milione di spostamenti della galassia verso il rosso, mappando la struttura su larga scala nell’universo su dettagli senza precedenti.

Le mappe SDSS includevano centinaia di supercluster e filamenti e aiutarono a fare una scoperta inaspettata: l’energia oscura. Hanno dimostrato che la densità della materia dell’universo era molto inferiore a quanto previsto dal Cosmic Microwave Background, che è la luce rimasta dal Big Bang. Ciò significa che ci deve essere una sostanza sconosciuta, soprannominata energia oscura, che guida un’espansione accelerata dell’Universo.

Il puzzle

La combinazione di tutte queste osservazioni ha preannunciato una nuova era di comprensione cosmologica con un universo composto dal 30 percento di materia e dal 70 percento di energia oscura. Ma nonostante il fatto che la maggior parte dei fisici ora abbia accettato l’esistenza di energia oscura, non ne conosciamo ancora l’essenza.

Vi sono tuttavia diverse possibilità. Molti ricercatori ritengono che l’energia del vuoto abbia semplicemente un valore particolare, soprannominata “costante cosmologica”. Altre opzioni includono la possibilità che la teoria della gravità di enorme successo di Einstein sia incompleta se applicata sull’enorme scala dell’intero universo.

Nuovi strumenti come DESI aiuteranno a compiere il passo successivo nella risoluzione del mistero. Misurerà decine di milioni di spostamenti della galassia, che coprono un enorme volume dell’universo fino a dieci miliardi di anni luce dalla Terra. Una mappa così sorprendente e dettagliata dovrebbe essere in grado di rispondere ad alcune domande chiave sull’energia oscura e sulla creazione di strutture su larga scala nell’universo.

Ad esempio, dovrebbe essere in grado di dirci se l’energia oscura è solo una costante cosmologica. Per fare ciò misurerà il rapporto tra la pressione che l’energia oscura emette sull’universo e l’energia per unità di volume. Se l’energia oscura è una costante cosmologica, questo rapporto dovrebbe essere costante sia nel tempo che nella posizione cosmica. Per altre spiegazioni, tuttavia, questo rapporto potrebbe variare. Qualsiasi indicazione che non sia una costante sarebbe rivoluzionaria e scatenerà un intenso lavoro teorico.

Il DESI dovrebbe anche essere in grado di limitare e persino uccidere molte teorie della gravità modificata, fornendo eventualmente una conferma enfatica della teoria della relatività generale di Einstein sulle scale più grandi. O il contrario, e di nuovo ciò darebbe il via a una rivoluzione nella fisica teorica.

Un’altra importante teoria che verrà testata con il DESI è l’Inflazione, che prevede come piccole fluttuazioni quantistiche casuali della densità di energia nell’universo primordiale siano state esponenzialmente espanse durante un breve periodo di crescita intensa per diventare i semi delle strutture su larga scala che vediamo oggi.

DESI è solo una delle numerose missioni ed esperimenti di energia oscura di prossima generazione del prossimo decennio, quindi c’è sicuramente motivo di essere ottimisti sul fatto che potremmo presto risolvere il mistero dell’energia oscura. Nuove missioni satellitari come Euclid e enormi osservatori terrestri come il Large Synoptic Survey Telescope, offriranno ulteriori approfondimenti.

Ci saranno anche altri strumenti di redshift come DESI, tra cui 4MOST all’Osservatorio europeo meridionale. Insieme, forniranno centinaia di milioni di spostamenti verso il rosso in tutto il cielo che condurranno a una mappa inimmaginabile del nostro cosmo.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Jacques Colin et al. Evidence for anisotropy of cosmic acceleration, Astronomy & Astrophysics (2019). DOI: 10.1051/0004-6361/201936373

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