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The 5° KIAS Workshop on Cosmology and Structure Formation

The 5° KIAS Workshop on Cosmology and Structure Formation – We are pleased to announce “The 5th KIAS Workshop on Cosmology and Structure Formation“, hosted by Korea Institute for Advanced Study (KIAS).  Continua a leggere The 5° KIAS Workshop on Cosmology and Structure Formation

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Dallo studio dei cristalli una nuova ipotesi sull’origine dell’Universo

Secondo un gruppo di fisici teorici dell’Università di Melbourne e della RMIT University, il modello cosmologico standard, o del Big Bang, potrebbe non rappresentare la spiegazione più adatta per descrivere l’origine dell’Universo.

Gli scienziati hanno studiato il sistema delle crepe e delle fessure che si formano nei cristalli, incluso il ghiaccio, e da qui le nostre conoscenze sulle fasi primordiali della storia dell’Universo potrebbero essere rivoluzionate: in altre parole, secondo gli scienziati l’Universo sarebbe emerso da uno stato fisico analogo a quello in cui si trova l’acqua mentre sta ghiacciando. “Gli antichi filosofi greci si domandavano di che cosa fosse costituita la materia: si trattava forse di una sostanza continua o di singoli atomi?” spiega James Quach investigatore principale di questa ricerca. “Oggi, grazie a potenti microscopi, sappiamo che di fatto la materia è composta di atomi. Migliaia di anni dopo, Albert Einstein assunse che lo spazio e il tempo costituissero una entità continua, lo spaziotempo, ma oggi si ritiene che che questa ipotesi potrebbe non essere valida su scale subatomiche. Una teoria più moderna, nota come gravità quantistica, suggerisce che lo spazio può essere fatto di piccole entità indivisibili, come gli atomi, analoghe ai pixel che formano una immagine sullo schermo. Il problema è che queste entità sono così piccole che risulta alquanto complicato osservarle direttamente”. Quach e colleghi ritengono comunque che potrebbero aver trovato il modo di osservare questi mattoni fondamentali dello spazio in maniera indiretta. “Pensiamo all’Universo primordiale come ad una sostanza liquida. Man mano che si raffredda, ‘cristallizza’, per così dire, nelle tre dimensioni spaziali e in una dimensione temporale a cui siamo abituati. Quindi, man mano che l’Universo si raffredda, ci aspettiamo che si formano delle crepe simili a quelle che si vedono quando l’acqua diventa ghiaccio. L’utilizzo di questa analogia è dovuto al fatto che l’acqua non ha forma. All’inizio di tutto non c’era nemmeno lo spazio, lo spazio non esisteva perchè non c’era alcuna forma”. Andrew Greentree della RMIT University è convinto che questi difetti di struttura possano essere osservati. “La luce o altre particelle potrebbero mettere in evidenza questi difetti topologici e, in teoria, noi potremmo rivelarli”, dichiara Greentree. Gli scienziati hanno calcolato alcuni di questi difetti topologici e se le loro previsioni saranno verificate sperimentalmente ci si aspetta di risolvere una volta per tutte la questione relativa alla struttura stessa dello spazio, cioè se è continuo e regolare o se invece è costituito da piccolissime entità indivisibili. Insomma, secondo gli studiosi pare proprio che la storia sulla nascita dell’Universo debba essere riscritta. “Uno dei problemi più grossi con il modello cosmologico standard è proprio il ‘bang’, cioè l’esplosione dello spazio: qui le leggi della fisica cessano di essere valide” spiega Quach. Dunque, se le previsioni teoriche saranno confermate dalle osservazioni, il modello del Big Bang potrebbe diventare obsoleto ed essere sostituito con una nuova ipotesi detta del Big Freeze.

ArXiv: Domain structures in quantum graphity

Gravità ‘repulsiva’ come ipotesi alternativa all’energia scura

E’ stato detto molte volte che l’energia scura, quella misteriosa componente che rappresenta il 73% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e che sta causando la sua espansione accelerata, è oggi il problema più imbarazzante che i cosmologi stanno tentando di risolvere. Il fisico teorico Massimo Villata dell’Istituto Nazionale di Astrofisica di Pino Torinese, afferma che il concetto di energia scura è una sorta di idea ad-hoc della cosmologia standard e che è privo di significato fisico. Villata è uno degli scienziati che stanno cercando nuove spiegazioni all’espansione accelerata dell’Universo introducendo altre forme di gravità di natura repulsiva. Se ciò si dimostrerà vero, allora la gravità repulsiva potrebbe forse derivare dall’antimateria che si cela nei grandi spazi vuoti.

ArXiv: “Dark energy” in the Local Void

Gli assioni, una possibile spiegazione all’enigma della materia scura

Uno dei misteri a cui i cosmologi stanno tentando di dare una risposta è quello di capire come mai l’Universo è così come lo vediamo. Nel fare ciò, sono state introdotte tutte una serie di idee che, però, non possono essere verificate. Una di queste è il concetto di materia scura quella enigmatica componente che gli scienziati ritengono formi quasi l’80% di tutta la materia presente nell’Universo. Ora, un problema che emerge con il modello cosmologico standard è dovuto al fatto che un particolare isotopo, il litio-7, dovrebbe essere molto più abbondante assumendo corretto il modello.

I teorici suggeriscono che subito dopo il Big Bang, lo spazio era come riempito da una sorta di miscela supercalda composta da protoni e neutroni che con il passare del tempo si fuse per dar luogo al deuterio e ai due isotopi dell’elio e del litio. Successivamente, man mano che la temperatura dello spazio diventava sempre più bassa, gli elettroni cominciarono a legarsi ai nuclei atomici, un processo che causò la formazione di tutti gli altri elementi che conosciamo oggi. La teoria, che si basa sull’osservazione della radiazione cosmica di fondo, non spiega l’eccesso di litio-7 rispetto a quanto esiste attualmente quando si prova a descrivere l’intero processo fisico. Per risolvere il problema, un gruppo di ricercatori dell’Università della Florida hanno avanzato una ipotesi in base alla quale essi suggeriscono che una ipotetica particella, un bosone di massa modesta chiamato assione, potrebbe spiegare questa discrepanza. In altre parole, gli scienziati affermano che se questa particella esiste davvero allora essa potrebbe aver prodotto una sorta di stato condensato di Bose-Einstein che avrebbe congelato, per così dire, quei fotoni primordiali. In questo modo, la quantità di litio-7 prodotta diventa inferiore rispetto a quanto calcolato e risulta così consistente con quanto viene trovato oggi. Insomma, questa ipotesi potrebbe risolvere il cosiddetto problema del litio-7 ed essere allo stesso tempo un modo per provare indirettamente il fatto che gli assioni sono effettivamente particelle reali. In definitiva, tutto ciò, forse, darebbe una maggiore credibilità a quei modelli che tentano di spiegare come si sono formate tutte le cose che ci circondano.

ArXiv: Axion Dark Matter and Cosmological Parameters 

Quanto tempo rimane alla fine dell’Universo?

L’energia scura costituisce il 73% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e perciò da essa dipende il destino del nostro Universo. I cosmologi hanno introdotto vari scenari che, però, sono tutti legati alle proprietà di questa componente enigmatica: uno di questi si basa sul modello del Big Rip  (vedasi Enigmi Astrofisici). Questo interessante argomento è stato di recente affrontato da cinque ricercatori delle University of Science and Technology of China, dell’Institute of Theoretical Physics at the Chinese Academy of Sciences, della Northeastern University e della Peking University.

Per millenni, gli uomini si sono sempre chiesti da dove veniamo e dove andiamo, domande fondamentali le cui risposte oggi cominciano ad avere una propria definizione grazie soprattutto ai progressi della cosmologia moderna degli ultimi trent’anni. Il modello standard cosmologico, noto anche come “Hot Big Bang + Inflation”, è stato sviluppato per spiegare l’origine e l’evoluzione dell’Universo, ma per capire quale sarà la sua fine gli scienziati devono comprendere la natura e l’essenza dell’energia scura. Dunque, la domanda è: quanto siamo distanti dalla fine? I calcoli, che si basano sulle attuali osservazioni, suggeriscono che mancano al meglio 103,5 miliardi di anni al Big Rip, mentre al peggio ci vogliono almeno 16,7 miliardi di anni. La domanda che segue è: cosa ne sarà delle strutture cosmiche, quali stelle e galassie? Se l’energia scura diventerà sempre predominante, si arriverà ad un momento in cui ogni singola struttura legata dalla gravità sarà disgregata. Ad esempio, nell’ipotesi pessimistica, la Via Lattea terminerà di essere una galassia tra 32,9 miliardi di anni; due mesi prima del “giorno del giudizio” la Terra sarà stata distrutta dal Sole; cinque giorni prima, la Luna sarà stata distrutta dalla Terra; il Sole sarà distrutto 28 minuti prima della fine di tutto e 16 minuti prima della fine del tempo, la Terra esploderà. Una cosa è comunque certa: nonostante ad oggi sappiamo poco o nulla sulle proprietà dell’energia scura, abbiamo ancora molto tempo prima della fine del tempo.

Science China: Dark energy and fate of the Universe

Come mai c’è poco litio-7 nell’Universo?

Circa trent’anni fa, i cosmologi Monique Spite and François Spite dell’Osservatorio di Parigi annunciarono una notizia clamorosa relativa all’apparente mancanza di litio-7 nelle stelle più vecchie dell’alone galattico, un risultato che portò al problema di chiedersi come mai fosse presente una percentuale così bassa rispetto a quanto previsto dal modello cosmologico standard o del Big Bang. Da allora, è stato notato che l’elemento litio-7 si ‘rifiuta’, per così dire, di far parte del quadro descrittivo che ci descrive l’evoluzione dell’Universo: in altre parole, non ce ne abbastanza. Oggi, le cose sembrano ancora peggiorate dato che i ricercatori Fabio Iocco e Miguel Pato dell’Università di Stoccolma e dell’Università della Tecnologia a Monaco hanno pubblicato uno studio in cui viene descritto il processo di produzione del litio-7 ad opera dei buchi neri.

L’attuale modello cosmologico standard descrive l’evoluzione dell’Universo a partire da circa 14 miliardi di anni fa quando emersero lo spazio, la materia e l’energia in seguito ad una grande esplosione iniziale, il Big Bang. Durante quei momenti iniziali si formarono gli elementi che sono presenti oggi con una percentuale consistente con quella descritta dal modello. Tuttavia, il litio-7 fa eccezione e, per qualche motivo ancora sconosciuto, esso risulta presente con una percentuale pari a un terzo di quella che dovrebbe essere. Ma il fatto sorprendente deriva da uno studio recente ad opera dei ricercatori Iocco e Pato che suggerisce una percentuale ancora maggiore e che potrebbe essere addirittura doppia di quella prevista dal modello cosmologico. I due ricercatori, mentre studiavano l’emissione nella banda dei raggi-X associata ai sistemi stellari binari, in cui una delle due componenti è un buco nero, hanno identificato la distribuzione toroidale di materia che circonda la stella. Dopo una serie di calcoli relativi alla velocità con cui essa si muove attorno alla stella, i due ricercatori hanno ricavato per la materia un valore della temperatura dell’ordine di 100 miliardi di gradi Kelvin. In queste condizioni, i nuclei di elio possono produrre in seguito alle collisioni l’elemento litio-7 e ciò implica che deve essere presente con una quantità maggiore rispetto a quanto ipotizzato in precedenza. Inoltre, nel loro articolo, Iocco e Pato affermano che se questo processo di collisione dei nuclei di elio determina anche la produzione di elio-7 con almeno una quantità dell’ordine dell’1%, allora la sua percentuale totale dovrebbe eguagliare quella prevista dal modello cosmologico standard.

ArXiv: Lithium Synthesis in Microquasar Accretion

Stelle massicce come ‘trottole’ primordiali

L’immagine mostra una simulazione al computer relativa alla formazione delle prime stelle in rapida rotazione.
Credits: A. Stacy, University of Texas

Secondo uno studio sull’evoluzione stellare delle stelle di grande massa, le ‘prime’ stelle che popolarono l’Universo non furono solamente immense ma, probabilmente, esse ruotarono molto velocemente. Queste stelle primordiali si sono esaurite molto tempo fa ma gli astronomi sono in grado di capire come si presentavano andando a studiare le generazioni stellari successive.

Un gruppo di ricercatori, guidati da Cristina Chiappini dell’Astrophysical Institute di Potsdam in Germania e INAF, hanno riesaminato i dati del Very Large Telescope di un ammasso stellare vecchio di circa 12 miliardi di anni. Essi hanno trovato livelli elevati di metalli, un segnale che indica che si tratta di popolazioni molto antiche di stelle, addirittura, forse, tra le ‘prime’ ad apparire nell’Universo, e i dati suggeriscono che si trattava di stelle massicce che ruotavano molto rapidamente. Questi risultati sono importanti perchè una stella che ruota velocemente vive più a lungo e può avere un destino diverso rispetto alle stelle che ruotano, invece, più lentamente. Ora, secondo il modello cosmologico standard, circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang si formavano le ‘prime’ stelle, che erano costituite principalmente di idrogeno ed elio e che vissero una vita molto breve, esaurendosi in giovane età. Raggiunte le fasi finali della loro evoluzione, esse esplosero dando luogo a supernovae rendendo così lo spazio ricco di elementi base da cui si crearono, successivamente, le future stelle. Ma se le prime stelle furono delle vere e proprie “centrifughe stellari” alcune di loro si esaurirono producendo un gamma-ray burst e la cui radiazione potrebbe essere rivelata oggi dai satelliti come Swift.

[Abstract: Imprints of fast-rotating massive stars in the Galactic Bulge]

Il tempo, una ‘freccia’ verso il futuro

Questi sono anni d’oro per la cosmologia moderna perché stiamo acquisendo tutta una serie di informazioni grazie soprattutto all’enorme flusso di dati astronomici che ci arrivano continuamente dagli osservatori terrestri ma soprattutto dai telescopi spaziali. Tuttavia, parafrasando un noto proverbio, potremmo dire che non è tutta la materia che brilla a rappresentare l’Universo osservabile dato che essa costituisce appena il 4% del contenuto materia-energia. Oggi sappiamo, infatti, che circa il 96% dell’Universo è caratterizzato da due componenti dominanti, a cui gli scienziati hanno dato i termini materia scura ed energia scura, di cui ancora ignoriamo la loro vera origine e natura. L’una, la materia scura, funge da scheletro su cui si aggregano le galassie e gli ammassi di galassie mentre l’altra, l’energia scura, permea tutto lo spazio ed esercita una forza di tipo antigravitazionale creando sempre più spazi vuoti. Ma a questi due misteri cosmologici ne dobbiamo aggiungere un altro che è relativo all’asimmetria del tempo, oggi il tema principale di questo articolo. Perché ci ricordiamo il passato e non il futuro? Che relazione ha il tempo con l’entropia del “sistema Universo” e con la gravità? Direi che è arrivato il tempo di fare il punto su questi temi ma per tentare di rispondere a queste domande dobbiamo necessariamente andare alle origini, al momento della singolarità iniziale, il Big Bang, da dove tutto è cominciato, e da dove sono emersi lo spazio, la materia, l’energia e il tempo.

Il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore che ci permette di descrivere l’evoluzione dell’Universo subito dopo il Big Bang. Secondo questo modello, circa 13,7 miliardi di anni fa una grande esplosione diede origine allo spazio nel quale la materia, inizialmente presente sottoforma di un “plasma primordiale” di particelle e radiazione, si aggregò successivamente, man mano che lo spazio si espandeva e si raffreddava, per formare le prime stelle e le prime galassie dando luogo a tutte quelle strutture che possiamo ammirare oggi. Queste strutture sono “appoggiate”, per così dire, su una sorta di “impalcatura cosmica” costituita dalla cosiddetta materia scura, mentre lo spazio si espande, in maniera accelerata, creando sempre più vuoti grazie all’azione esercitata da una forma di energia misteriosa, chiamata energia scura, che permea tutto lo spazio e la cui densità non sembra diminuire. In tutto ciò c’è qualcosa che non riusciamo a comprendere, un problema cosmologico noto come asimmetria del tempo. E’ noto dalle leggi della fisica che ai livelli più fondamentali i fenomeni fisici non distinguono tra passato e futuro eppure l’Universo “neonato”, caldo, denso ed omogeneo, è completamente diverso da quello di oggi, freddo, diradato ed eterogeneo. Se utilizziamo il linguaggio della termodinamica, possiamo dire che agli inizi l’Universo era ordinato ed è diventato sempre più disordinato nel corso della sua evoluzione. In tal senso, l’asimmetria del tempo, nota anche come “freccia del tempo” che punta dal passato al futuro, rappresenta la caratteristica più bizzarra che i cosmologi non riescono ancora a spiegare del tutto.

Ma allora da dove cominciamo? Proviamo a partire dalle leggi fisiche a noi note e consideriamo una grandezza fisica che abbiamo imparato a studiare sin dal liceo: l’entropia. Di solito per esprimere il concetto della freccia del tempo, i fisici prendono in considerazione il secondo principio della termodinamica che afferma che in un sistema chiuso l’entropia non diminuisce mai. Di fatto, a scuola ci insegnano che l’entropia è la misura del disordine di un sistema fisico ma, per essere più precisi, dobbiamo ricordare che nel 19° secolo Ludwig Boltzmann spiegò l’entropia in termini di distinzione tra il microstato ed il macrostato di un oggetto. In altre parole, ad un particolare macrostato corrispondono tanti microstati diversi, dunque possiamo dire che l’entropia equivale al numero di microstati diversi che corrispondo allo stesso macrostato. Se, ad esempio, immaginiamo di versare latte nel caffè, avremo tantissimi modi di distribuire le molecole in modo tale che latte e caffè siano completamente mescolati e ce ne saranno relativamente pochi tali che il latte sia separato dal caffè. Questo vuol dire allora che la miscela, latte e caffè, avrà una entropia maggiore. Infatti, gli stati ad entropia maggiore risultano molti di più di quelli che hanno una entropia minore semplicemente perché sono più probabili ed è per questo motivo che il latte si mescola al caffè e non succede mai che se ne separi. Qualcuno di voi ha avuto questa seconda esperienza? Credo proprio di no! Ma se aspettassimo un tempo molto lungo tale per cui le molecole si separino spontaneamente dalla miscela forse dovremmo attendere un tempo maggiore rispetto all’età stessa dell’Universo proprio per il fatto che questo processo è statisticamente improbabile. Chi vuole provare? Questi ragionamenti ci portano a concludere che la freccia del tempo descrive la tendenza dei sistemi fisici ad evolvere verso uno dei numerosi stati naturali caratterizzati da una elevata entropia.

Un altro problema che non comprendiamo è il comportamento dell’entropia quando è presente la gravità. Secondo la teoria generale della relatività, la gravità viene spiegata come la distorsione dello spaziotempo che crea attorno a sé un corpo dotato di grande massa. Purtroppo non abbiamo ancora una teoria della gravità su scale atomiche che spieghi in maniera soddisfacente lo spaziotempo. Tuttavia, sappiamo, approssimativamente, come evolve l’entropia in presenza della gravità. Nell’esempio precedente della tazzina di caffè, dove la gravità si può considerare trascurabile, la distribuzione uniforme delle particelle ha una entropia elevata ed il sistema si trova in equilibrio. Anche se le particelle vengono rimescolate, esse sono già mescolate a sufficienza ed in maniera omogenea che da un punto di vista macroscopico non sembra accadere nulla. Se, invece, la gravità diventa importante allora una distribuzione omogenea avrà una entropia più bassa per un determinato volume fissato. In questo caso, il sistema non è in equilibrio. Dunque sappiamo che la gravità fa si che le particelle si aggreghino per formare strutture complesse come pianeti, stelle, galassie e l’entropia aumenta di conseguenza in accordo con il secondo principio della termodinamica. Oggi sappiamo che lo spazio si espande accelerando grazie all’azione esercitata dall’energia scura che se non diventerà meno densa porterà le galassie sempre più lontane le une dalle altre al punto che esse non saranno più visibili. Insomma, pare che l’Universo diventerà un posto desolato, sempre più vuoto e solo allora si potrà raggiungere lo stato di massima entropia. Solo allora l’Universo raggiungerà l’equilibrio e non succederà più nulla. Ma questo significa che lo spazio vuoto ha sorprendentemente il valore massimo di entropia, è un po’ come dire che la libreria più disordinata è quella più vuota.

Ma torniamo alla parte più strana e cioè alla netta differenza che esiste tra passato e futuro. Crediamo che l’entropia dell’Universo alle origini sia stata estremamente bassa, le particelle erano distribuite in maniera omogenea, poi essa ha acquisito un valore medio, man mano che lo spazio ha cominciato ad espandersi, mentre si formavano le strutture irregolari che osserviamo oggi come stelle, galassie e ammassi, per raggiungere alla fine uno stato di massima entropia, quando cioè lo spazio diventerà sempre più vuoto. Ma la domanda rimane: perché il passato deve essere così diverso dal futuro? In realtà non lo sappiamo. Ciò che possiamo dire è che o consideriamo l’asimmetria temporale come una proprietà intrinseca dell’Universo che è impossibile da spiegare oppure dobbiamo ancora capire più in profondità le proprietà dello spazio e del tempo. Alcuni cosmologi hanno tentato di spiegare l’asimmetria del tempo dovuta all’inflazione, il modello introdotto da Alan Guth in base al quale l’Universo appena nato subì improvvisamente una rapida espansione esponenziale che diede “forma”, per così dire, al volume dello spazio spiegando così alcune proprietà osservative come, ad esempio, l’eccezionale uniformità della densità di materia in regioni dello spazio lontane tra loro. Ma questo processo viene invocato come una sorta di trucco per spiegare l’asimmetria temporale.

Un’altra spiegazione dell’asimmetria del tempo è quella di considerare il passato non necessariamente diverso dal futuro. Forse, il passato più distante, come il futuro, è di fatto uno stato caratterizzato da un valore elevato di entropia. Ma se è così, lo stato caldo e denso, cioè l’Universo delle origini, non sarebbe il vero inizio bensì uno stato di transizione tra due fasi della sua storia. Alcuni modelli ipotizzano che l’Universo abbia subito una sorta di “rimbalzo”. Prima di questo evento, lo spazio si stava contraendo e anziché collassare in una singolarità sono intervenuti di proposito alcuni processi fisici, che coinvolgono la gravità quantistica, o la teoria delle stringhe, o le dimensioni extra, o ancora qualche fenomeno di natura esotica, che hanno “salvato” la situazione e l’Universo è riemerso attraverso il Big Bang in tutto ciò che vediamo oggi. Tuttavia, questi modelli cosmologici del rimbalzo non spiegano la freccia del tempo.

Un’altra soluzione all’enigma dell’asimmetria del tempo si basa sull’ipotesi secondo la quale oggi noi vediamo solo una piccola zona della situazione complessiva il cui paesaggio più vasto è completamente simmetrico rispetto al tempo. In questo modello, nello spazio vuoto le fluttuazioni quantistiche in entrambe le direzioni del tempo, passato e futuro, danno luogo a tanti universi neonati, ognuno dei quali è caratterizzato da una freccia del tempo, che a loro volta si svuotano e generano altri universi. Su scale cosmologiche estremamente grandi, un tale tipo di universo apparirebbe statisticamente simmetrico rispetto al tempo. Il concetto di un universo con una freccia del tempo invertita potrebbe sembrare bizzarro e preoccupante. Cosa accadrebbe se incontrassimo un viaggiatore del tempo che proviene da questo tipo di universo: ricorderebbe il futuro? In realtà questo tipo di incontri sono altamente improbabili, dato che stiamo parlando di universi infinitamente lontani, addirittura prima del Big Bang. Tra noi e questi universi, sembra esistere una sorta di “terra di nessuno” dove il tempo non scorre per niente, cioè non esiste la materia e l’entropia non si evolve. Un essere che vivrebbe in questo universo dove la freccia del tempo è diretta verso il passato, non nascerebbe vecchio né morirebbe giovane. Dal suo punto di vista il tempo scorrerebbe in modo convenzionale, il nostro passato sarebbe il suo futuro e viceversa. Comunque sia, possiamo stare tranquilli dato che un incontro di questo tipo è del tutto ipotetico, noi non possiamo certamente raggiungerli nè loro possono raggiungere noi.

Per concludere, forse l’idea della freccia del tempo come caratteristica osservabile del nostro Universo può fornirci degli indizi sulla natura dell’Universo non osservabile. Infatti, se l’Universo osservabile fosse tutto ciò che esiste allora sarebbe impossibile spiegare in maniera naturale la freccia del tempo. Se, però, l’Universo attorno a noi è solo una piccola porzione di un paesaggio più vasto, possiamo avere nuove possibilità di esplorare quello che non riusciamo a vedere oggi. In altre parole, possiamo considerare il nostro orizzonte come un pezzo di un puzzle di un sistema più grande la cui entropia aumenta senza limiti sia verso il passato che verso il futuro.

Sì certo, tutto molto bello, ma come facciamo ad osservare la freccia del tempo? Beh, basta versare del latte in una tazzina di caffè e mescolare, questa azione ci porterà direttamente alle origini dell’Universo e, forse, oltre i suoi confini.

MassiveBlack, una simulazione dei ‘primi’ buchi neri supermassicci

L’immagine mostra la distribuzione della materia su larga scala nella simulazione chiamata MassiveBlack. La densità del gas proiettata sul volume totale è rappresentata in due dimensioni nell’immagine sullo sfondo. I due inserti mostrano rispettivamente gli ingrandimenti delle regioni dove si forma il buco nero più massiccio che nell’immagine in alto a destra è alimentato da flussi di gas a bassa temperatura.
Credit: Yu Feng

Un gruppo di ricercatori del Bruce and Astrid McWilliams Center for Cosmology presso la Carnegie Mellon University hanno studiato la causa che determinò una rapida evoluzione dei primi buchi neri supermassicci, più di ogni altro oggetto che apparve nell’Universo delle origini: una ‘dieta’ costante di gas a bassa temperatura.

Durante le fasi primordiali della storia cosmica, tra 700 e 800 milioni di anni dopo il Big Bang, le prime stelle e le prime galassie cominciavano a formarsi e, secondo la teoria dell’evoluzione stellare, i buchi neri avevano dimensioni molto piccole rispetto a quelle delle galassie in cui risiedevano. Ma alcune recenti osservazioni realizzate con la Sloan Digital Sky Survey (SDSS) hanno mostrato che questo non è del tutto vero: giganteschi buchi neri supermassicci esistevano sin già a partire da circa 700 milioni di anni dopo il Big Bang e hanno le stesse dimensioni di quelli che osserviamo oggi dopo quasi 14 miliardi di anni. Come è possibile? Per risolvere questo enigma, i ricercatori hanno costruito la più grande simulazione al computer, denominata MassiveBlack, per studiare i primi miliardi di anni della storia del nostro Universo. I risultati della simulazione sono stati un successo perché hanno permesso di vedere la formazione dei primi quasar apparsi non solo con le dimensioni giuste ma anche nel tempo cosmico così come previsto dal modello cosmologico standard. Inoltre, i ricercatori hanno potuto esplorare l’Universo nelle sue ere primordiali andando ad osservare in dettaglio quelle particolari strutture o eventi che è molto difficile osservare direttamente con i telescopi spaziali. Ma andando ad analizzare le simulazioni sulla formazione dei primi buchi neri supermassicci, i ricercatori si accorsero di qualcosa di sorprendente. Di solito, quando flussi di gas a bassa temperatura si muovono verso un buco nero essi interagiscono con dell’altro gas che si trova nella galassia. Questo processo, che determina prima un innalzamento della temperatura del gas che successivamente diminuisce prima di cadere verso il buco nero, dovrebbe impedire la crescita della massa dei buchi neri fino al valore che osserviamo oggi.

In realtà, la simulazione fa vedere la presenza di piccole strutture a filamenti, quelle che danno luogo alla cosiddetta “cosmic web”, lungo le quali scorrono flussi di gas a bassa temperatura che vanno a finire direttamente sui buchi neri alimentandoli così in modo continuo e veloce. Di conseguenza, la massa dei buchi neri cresce in maniera esponenziale e molto più rapidamente rispetto a quella delle galassie nelle quali essi risiedono. Dunque, dato che una galassia si forma quando ha origine un buco nero, questi risultati diventano estremamente importanti perché ci forniscono una indicazione su come si sono originate le prime galassie e quindi, in maniera più globale, su come si è evoluto l’Universo. Il passo successivo sarà ora quello di ricostruire simulazioni sempre più grandi e complesse per coprire una porzione maggiore dello spazio e del tempo cosmico.

ArXiv 1: Early Black Holes in Cosmological Simulations: Luminosity Functions and Clustering Behaviour

ArXiv 2: COLD GAS FLOWS AND THE FIRST QUASARS IN COSMOLOGICAL SIMULATIONS

Una sequenza di collisioni tra universi multipli

I ‘tracce’ lasciate dalle collisioni che sarebbero avvenute tra ‘bolle cosmiche’. Nell’immagine (in alto a sinistra) una collisione provoca una modulazione di temperatura nella radiazione cosmica di fondo (in alto a destra). La risposta alla collisione dovuta al “blob” è identificata in basso a sinistra le cui modulazioni nella radiazione cosmica di fondo sono simulate dall’algoritmo di calcolo nell’immagine in basso a destra.
Credit: S. M. Feeney

Il miglior modello per descrivere la nascita e l’evoluzione del nostro Universo è noto come modello cosmologico standard, in base al quale lo spazio, il tempo, la materia e l’energia si originarono da una colossale esplosione iniziale, il Big Bang, seguita da un periodo di rapida espansione accelerata, l’inflazione. Forse, questo è stato solo l’inizio ma da qualche tempo gli scienziati si chiedono cosa sia successo prima, insomma quali sono state le condizioni iniziali dalle quali ha avuto origine l’Universo dove viviamo.

Con uno studio recente condotto da un gruppo di ricercatori guidato da Stephen Feeney (articolo scientifico 1articolo scientifico 2), sono stati rivelati nella radiazione cosmica di fondo quattro “tracce” circolari la cui formazione risulta statisticamente improbabile. I ricercatori ritengono che queste “impronte” possano essere associate a quattro interazioni che il nostro Universo avrebbe avuto nel passato con altri universi. Se ciò si dimostrerà vero, potrebbe essere la prima evidenza che i multiversi sono una realtà. L’idea che esistano tanti universi non è nuova dato che gli scienziati hanno già suggerito che viviamo in una sorta di multiverso che consiste di infiniti universi. Il concetto di multiverso nasce dall’idea della cosiddetta ‘inflazione eterna’ in cui parti diverse dello spazio sono soggette a diverse fasi inflazionarie creando un insieme di “bolle cosmiche” ognuna delle quali rappresenta un universo caratterizzato da proprie leggi fisiche. Come suggerisce il termine, l’inflazione eterna avviene infinite volte, crea infiniti universi che danno luogo al multiverso. Questi infiniti universi vengono chiamati “universi a bolle” anche se hanno forme non esattamente rotonde o circolari, e possono muoversi facendo sì che, di tanto in tanto, accadano delle collisioni con altre bolle cosmiche. Queste collisioni producono delle increspature all’interno dell’universo bolla e possono apparire come “tracce” nella radiazione cosmica di fondo, anche se queste idee devono comunque essere verificate sperimentalmente.

Gli scienziati sperano che la ricerca di queste collisioni delle bolle cosmiche fornisca degli indizi sulla storia dell’Universo a prescindere dal fatto che esse siano, o meno, reali. Comunque sia, l’assenza di queste tracce nella radiazione cosmica di fondo implicherebbe porre limiti più stringenti ai modelli che si basano sull’inflazione eterna. Se poi si dimostrerà il contrario, avremo acquisito non solo nuove informazioni sul nostro Universo ma addirittura sull’esistenza di un possibile multiverso.

ArXiv 1: First Observational Tests of Eternal Inflation

ArXiv 2: First Observational Tests of Eternal In ation: Analysis Methods and WMAP 7-Year Results