darkenergy_universe

La risoluzione limite dell’Universo

Siamo in grado di definire le dimensioni del puntino che compone il punto interrogativo? Che succede se ci spostiamo di qualche metro? Il dettaglio più fine che l’occhio umano è in grado di distinguere è la dimensione di un punto alla distanza di un metro: stiamo parlando di “risoluzione angolare”. La risoluzione migliore di un sistema ottico, come l’occhio, è data approssimativamente dal rapporto tra la lunghezza d’onda della luce incidente e la dimensione dell’apertura del sistema attraverso cui passa la luce. In astronomia, il concetto di risoluzione funziona allo stesso modo. Ciò spiega come mai si costruiscono telescopi sempre più grandi: non solo i telescopi più grossi raccolgono più luce, e perciò possono osservare sempre più lontano nello spazio, ma più grande è l’apertura dello strumento e, in linea di principio, migliore risulterà l’immagine. Oggi, però, un nuovo studio pubblicato da Eric Steinbring del National Research Council Canada suggerisce che l’Universo abbia in realtà una sorta di “risoluzione limite fondamentale”: in altre parole, non saremo mai in grado di vedere le galassie più distanti, così chiaramente come vorremmo, a prescindere dalle dimensioni del telescopio.

Il Very Large Telescope (VLT). Credit: ESO

I telescopi ottici più grandi attualmente in funzione, come il Very Large Telescopes (VLT) dell’ESO e il telescopio Keck situato nelle Hawaii, sono dotati di specchi del diametro di circa 10 metri e ci sono dei progetti in corso per la costruzione di telescopi del diametro di 30-40 metri, come ad esempio lo European-Extremely Large Telescope (E-ELT). Ma c’è un problema: se la luce proveniente da un oggetto, sia esso una candela, un faro o una stella, viene perturbata durante la sua propagazione dalla sorgente al rivelatore, allora non saremo mai in grado di riprodurre una immagine così chiara, come previsto dal massimo teorico, non importa quanto sia grande l’apertura. Sappiamo che la luce può farci, per così dire, degli scherzi. Pensiamo, ad esempio, quando si guarda il basamento di una piscina piena d’acqua: noteremo che le piastrelle appaiono muoversi in una sorta di “danza virtuale”. Un altro caso classico è quello di un bastone immerso nell’acqua, che appare “spezzato” tra la parte che sta fuori e quella nel liquido. La luce che si propaga dallo spazio fino a raggiungere i telescopi deve passare attraverso un’atmosfera turbolenta e questo causa tutta una serie di problemi in termini della formazione delle immagini finali fornite dagli strumenti. Nel caso delle onde elettromagnetiche, esempio la luce, questo effetto produce una “sfocatura” nelle immagini. A meno che questo effetto non sia in qualche modo compensato, il telescopio non fornirà mai la risoluzione massima teorica. Dunque, la soluzione, anche se costosa, è quella di mettere in orbita i telescopi, cioè al di fuori dell’atmosfera terrestre. Un’altra soluzione è quella delle ottiche adattive, ma risulta tecnicamente complessa.

L’osservatorio Keck nelle Hawaii. Credit: Keck Observatory

Lo studio, presentato quest’anno all’International Astronomical Union General Assembly, fa una predizione sulla natura dello spazio chiamando in causa lo strano mondo della fisica quantistica. Esso afferma che la natura dello spazio e del tempo a livello quantistico possa dar luogo ad una specie di “risoluzione limite fondamentale” del cosmo, il che potrebbe incidere sulla qualità delle immagini delle galassie più distanti che potranno fornire i telescopi del futuro. L’idea è la seguente: secondo la meccanica quantistica, al livello della scala più piccola che ha ancora un senso fisico, cioè la scala di Planck (10-35 metri), lo spazio ha una struttura a forma di “schiuma” (post). In questo dominio di scale estremamente piccole, la fisica quantistica predice che l’Universo “pulluli” di particelle cosiddette “virtuali” che emergono nell’esistenza per poi annichilare rapidamente le une con le altre, un fenomeno che viene osservato costantemente negli esperimenti di fisica delle particelle. Ad ogni modo, per brevissimi intervalli di tempo, queste particelle virtuali possiedono una certa energia e perciò, secondo la famosa equazione di Einstein E=mc2, anche una massa. Ma qualsiasi massa, non importa quanto piccola essa sia, deforma la struttura dello spaziotempo. Questa è la descrizione della gravità secondo la teoria della relatività generale. Il caso più estremo di questo fenomeno che si osserva in natura è la lente gravitazionale di galassie distanti causata da ammassi di galassie massivi. Viaggiando attraverso questa struttura “schiumosa” dello spaziotempo, i fotoni, che sono le particelle di luce, saranno influenzati da tali fluttuazioni allo stesso modo con cui la luce attraversa la nostra spessa, turbolenta atmosfera. Naturalmente, l’effetto è minino, quasi trascurabile. Ma un fotone emesso da una galassia remota deve viaggiare per molto tempo nello spazio prima di raggiungere la Terra. Durante questo lungo viaggio, le infinite “perturbazioni di fase” causate dalla struttura “schiumosa” dello spaziotempo potrebbero sommarsi. Ora, la predizione è che questo effetto risulti più piccolo rispetto alle immagini più nitide che possiamo attualmente ottenere con i migliori telescopi. Dunque, se la teoria è corretta, questo effetto di “sfocatura cosmica” potrebbe essere evidente nelle immagini fornite dai telescopi di prossima generazione delle galassie distanti. Uno di questi è il successore del telescopio spaziale Hubble, cioè il James Webb Space Telescope che sarà messo in orbita nel 2018. Comunque sia, non c’è finora alcuna teoria comunemente accettata che permetta di unificare la relatività generale con la meccanica quantistica, uno degli obiettivi della fisica moderna, perciò dovremmo prendere queste previsioni “cum grano salis”.

Illustrazione dello European Extremely Large Telescope (E-ELT). Credit: ESO

Ciò che è davvero affascinante è il fatto che non importa quanto grandi saranno i nostri telescopi terrestri o spaziali perchè c’è, di fatto, un limite naturale della risoluzione, che emerge da processi quantistici e che si manifesta su scale cosmologiche, al di là del quale non siamo in grado di andare. Insomma, sembra che ci troviamo di fronte ad una sorta di “complotto cosmico”, perchè alcuni segreti della natura devono essere “nascosti” per sempre.

The Conversation: The universe’s resolution limit: why we may never have a perfect view of distant galaxies
arXiv: Limits to Seeing High-Redshift Galaxies Due to Planck-Scale-Induced Blurring