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Origins of the Expanding Universe: 1912-1932

On September 17, 1912, Vesto Slipher obtained the first radial velocity of a “spiral nebula” – the Andromeda Galaxy. Using the 24-inch telescope at Lowell Observatory, he followed up with more Doppler shifts, and wrote a series of papers establishing that large velocities, usually in recession, are a general property of the spiral nebulae. Those early redshifts were recognized as remarkable by Slipher, and were critical to the discovery of what came eventually to be called the expanding Universe. Surprisingly, Slipher’s role in the story remains almost unknown to much of the astronomical community. Continua a leggere Origins of the Expanding Universe: 1912-1932

Dalle fluttuazioni quantistiche primordiali verso la ricerca di una ‘nuova’ fisica

L’inflazione, quel brevissimo periodo di tempo in cui secondo la teoria l’Universo si è espanso in maniera esponenziale raggiungendo la sua forma attuale, rimane ancora uno dei grandi enigmi della moderna cosmologia (vedasi anche Enigmi Astrofisici). Durante questo piccolissimo intervallo di tempo, durato meno di una frazione di secondo e in cui le dimensioni dello spazio sono aumentate di un fattore circa 1078, sono avvenute altre cose molto interessanti. Si tratta delle fluttuazioni quantistiche dello spazio vuoto ossia le fluttuazioni di temperatura della radiazione cosmica di fondo che hanno prodotto in seguito le prime strutture che osserviamo oggi come galassie e/o ammassi di galassie. Ma secondo uno studio recente, alcuni teorici ritengono di aver capito il significato di quelle fluttuazioni primordiali, quello che i cosmologi chiamo lo spettro di potenza del periodo inflazionistico, dove è necessario introdurre piccole correzioni in modo da poter verificare sperimentalmente una serie di modelli della gravità quantistica includendo anche la teoria delle stringhe.

ArXiv: Model Independent Signatures of New Physics in the Inflationary Power Spectrum

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

Il telescopio del Polo Sud ‘sostiene’ la costante cosmologica

L’analisi dei dati raccolti con il telescopio di 10m del Polo Sud (SPT) sembra favorire l’ipotesi della costante cosmologica come la spiegazione più semplice al mistero dell’energia scura, una idea che lo stesso Einstein considerò il suo più grande errore (vedasi Idee sull’Universo). I risultati delle osservazioni riguardano anche la massa dei neutrini, quelle particelle elusive e più abbondanti che esistono nell’Universo e che fino a qualche tempo fa si riteneva non avessero massa. I dati supportano il modello dell’energia scura che si basa sull’ipotesi della costante cosmologica nonostante SPT abbia osservato una piccola frazione di cielo e solo 100 degli oltre 500 ammassi di galassie che sono stati finora considerati. Gli scienziati sperano, comunque, che nel momento in cui sarà disponibile l’insieme totale dei dati ottenuti dalla survey si potranno porre dei limiti più stringenti sull’energia scura e possibilmente determinare con più precisione la massa dei neutrini.

Qual è l’epoca ‘migliore’ per studiare l’Universo?

CosmicInflationTutti sappiamo che l’Universo è un ‘luogo’ fantastico, complesso, meraviglioso, riempito, per così dire, da miliardi di galassie che, a loro volta, si raggruppano per formare gli ammassi di galassie. Queste enormi strutture su larga scala si sono evolute nel corso di quasi 14 miliardi di anni cominciando ad apparire come piccole fluttuazioni di densità di materia man mano che lo spazio si espandeva. Oggi, nonostante siamo in grado di ottenere informazioni indirette sulle condizioni iniziali dell’Universo osservando la sua struttura su larga scala, ci si chiede se siamo nella fase giusta della storia dell’evoluzione cosmica o se, invece, bisogna aspettare ancora qualche miliardo di anni per poter comprendere, direi quasi in maniera definitiva, come è nato l’Universo.

Secondo alcuni calcoli realizzati dall’astrofisico teorico Avi Loeb emerge che il tempo ‘ideale’ per studiare il cosmo risale ad oltre 13 miliardi di anni fa, cioè appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang. Ciò implica che man mano che il tempo trascorre l’informazione che siamo in grado di ottenere dall’epoca primordiale dell’Universo viene a mancare. Nonostante ciò possiamo mettere a confronto due processi che permettono di definire quale è, per così dire, il ‘momento migliore’ per studiare il cosmo. Nella fase primordiale della storia dell’Universo, l’orizzonte cosmico è molto più vicino perciò l’informazione che possiamo derivare risulta minima. Man mano, però, che l’Universo evolve l’informazione diventa sempre più importante dato che c’è quel tempo necessario affinchè la luce si propaghi dalle regioni più remote dello spazio fino a raggiungere i nostri telescopi. Ad ogni modo, nelle fasi iniziali e in quelle più evolute della storia cosmica, la materia ha tutto il tempo di collassare per formare le strutture legate dalla forza di gravità. Per fare una analogia, questo processo di collasso gravitazionale rende "fangose" le acque dello ‘stagno cosmico’ poiché si perde l’informazione relativa alle condizioni iniziali presenti sulle piccole scale. Loeb si è posto la seguente domanda: ma quando si hanno le condizioni ottimali per studiare l’Universo? La risposta suggerisce un tempo dell’ordine di 500 milioni di anni dopo il Big Bang, cioè l’epoca in cui si formavano le prime stelle e le prime galassie. Questo periodo non è del tutto casuale. Dato che l’informazione relativa all’Universo delle origini si perde nel momento in cui si sono formate le galassie, il periodo migliore per osservare le perturbazioni cosmiche coincide con quello associato alla formazione delle prime stelle. Ma non è troppo tardi. Oggi, gli astronomi possono ancora ricavare le informazioni relative all’Universo primordiale grazie alle osservazioni nella banda radio ed in particolare alla lunghezza d’onda di 21cm che è associata all’emissione dell’idrogeno e che era presente durante le epoche iniziali. Le onde radio hanno impiegato più di 13 miliardi di anni per raggiungere i nostri strumenti e questo ci permette di ‘vedere’ come si mostrava l’Universo da giovane. Dall’altro lato, l’espansione accelerata dello spazio renderà il quadro più ‘tetro’, per così dire, per i cosmologi del futuro. Poiché l’Universo si espande in maniera accelerata, le galassie si allontanano sempre più le une dalle altre, creando spazi sempre più vuoti, e un giorno esse si troveranno ben al di là del nostro orizzonte osservativo. Nel futuro, la luce che sarà emessa da quelle galassie estremamente distanti non ci raggiungerà mai più. Dunque in un epoca compresa tra 10 e 100 volte l’età attuale dell’Universo, i nostri colleghi astronomi del futuro non saranno più in grado di osservare le galassie. Insomma, per concludere, è proprio il caso di dire che se vogliamo imparare qualcosa sull’Universo delle origini, dobbiamo guardare adesso prima che sia troppo tardi.

ArXiv: The Optimal Cosmic Epoch for Precision Cosmology

CLASH, un ‘censimento’ cosmico

Un gruppo di astronomi hanno iniziato una campagna di osservazioni di 25 ammassi di galassie per studiare la distribuzione della materia scura, quella componente misteriore che costituisce quasi il 23% del contenuto materia-energia del cosmo. Gli ammassi di galassie rappresentano un importante strumento d’indagine in cosmologia poichè da essi gli scienziati ottengono informazioni dettagliate sulla distorsione delle immagini delle galassie più distanti, quindi sulla natura e le proprietà dello spaziotempo e in definitiva sull’espansione dell’Universo. Questo programma, che sarà realizzato grazie al telescopio spaziale Hubble, si chiama CLASH (Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble) e servirà per costruire un database di ammassi di galassie che sono i responsabili, per così dire, del fenomeno della lente gravitazionale e per porre dei limiti più stringenti ad alcuni parametri cosmologici fondamentali.

ArXiv: THE CLUSTER LENSING AND SUPERNOVA SURVEY WITH HUBBLE: AN OVERVIEW

Tutti i ‘colori’ delle supernovae

Una supernova di tipo Ia si ha quando una nana bianca accresce materia da una stella compagna finchè essa supera il limite di Chandrasekhar e quindi esplode. Studiando queste esplosioni stellari, gli astronomi sono in grado di misurare l’energia scura e l’espansione dell’Universo. I ricercatori del CfA hanno trovato un modo per correggere piccole variazioni di luminosità apparente da queste supernovae in modo che esse siano considerate ancora di più candele standard. La chiave di questo metodo sta nel classificarle in base al loro colore.
Credit: Justyn R. Maund (University of Cambridge)

Le supernovae di tipo Ia rappresentano, attualmente, lo strumento migliore per studiare l’energia scura dato che esse sono ben visibili nello spazio intergalattico e possono essere utilizzate come “candele standard” per il fatto che la loro luminosità intrinseca è nota e ciò permette di determinare la loro distanza. Grazie, però, ad uno studio recente condotto da un gruppo di astrofisici guidati da Ryan Foley dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) è stato derivato un metodo per correggere piccole variazioni di luminosità apparente di questa classe di supernovae in modo che esse siano ancora di più utilizzate come sistemi di riferimento per la determinazione delle distanze cosmologiche: la chiave di questo studio è quella di considerare il loro “colore”.

Questo metodo permetterà agli astronomi di porre dei limiti più stringenti alla scala delle distanze cosmologiche derivando così misure molto più accurate delle distanze a cui si trovano le galassie. A tal proposito, bisogna dire, però, che le supernovae di tipo Ia non hanno la stessa luminosità intrinseca, quindi occorre correggere per alcuni effetti che sono correlati a quanto velocemente la supernova diventa brillante e successivamente diventa debole, cioè occorre tener conto della sua curva di luce, e al suo picco di luminosità intrinseca. Tutti questi effetti portano a discrepanze nella determinazione delle distanze e, indirettamente, nelle misure degli effetti dovuti all’energia scura. Se vengono introdotte le opportune correzioni, si trova che esiste una correlazione ben distinta tra la velocità di espulsione della materia e il colore della supernova: in altre parole, le supernovae che presentano una velocità elevata di espulsione della materia appaiono leggermente più arrossate, viceversa quelle più lente appaiono di un colore blu. In precedenza si pensava che l’effetto dell’arrossamento fosse dovuto alla presenza di polvere che avrebbe causato un indebolimento della luminosità dell’esplosione facendo perciò apparire la supernova molto più distante di quanto fosse in realtà. Dunque, correggendo per questo effetto, il gruppo di Foley ha trovato che esistono delle differenze di colore intrinseche alla supernovae. Questo studio è stato condotto su un campione di 121 supernovae per le quali sono state riesaminate le assunzioni originarie in base alle quali le supernovae di tipo Ia sono caratterizzate in media da un solo colore. I nuovi risultati ci permettono di capire ancora più in dettaglio questa classe di stelle e le loro proprietà intrinseche che sono di fondamentale importanza per lo studio dell’energia scura e, in definitiva, per l’evoluzione futura del nostro Universo.

ArXiv: MEASURING EJECTA VELOCITY IMPROVES TYPE IA SUPERNOVA DISTANCES

Le ‘candele’ cosmologiche standard non sono poi così standard

Questa immagine mostra come il telescopio spaziale Spitzer è stato in grado di mostrarci che una candela standard, utilizzata per misurare le distanze cosmologiche, si sta ‘restringendo’, un fenomeno che influenza la determinazione dell’età, delle dimensioni e del tasso di espansione dell’Universo.
Credit: NASA/JPL-Caltech/Iowa State

Gli astronomi hanno trovato la prima prova diretta in base alla quale le cosiddette “candele standard”, ossia le Cefeidi utilizzate per determinare le distanze cosmologiche, subiscono una variazione della propria massa e ciò fa sì che esse non siano più considerate come corpi celesti di riferimento. Grazie ai dati del telescopio spaziale Spitzer, questa scoperta permetterà di eseguire misure più precise delle dimensioni, dell’età e del tasso di espansione dell’Universo.

Le candele standard sono oggetti astronomici che vengono utilizzati per misurare la scala delle distanze cosmologiche. Da sempre, una delle classi più note di corpi celesti che sono considerati come sistema di riferimento è rappresentata dalle stelle variabili Cefeidi. Ma le recenti osservazioni condotte con il telescopio spaziale Spitzer hanno messo in evidenza un fenomeno importante: le Cefeidi tendono a perdere massa o, in altre parole, si ‘restringono’ e ciò influenza le misure della loro distanza. “Abbiamo dimostrato che queste particolari stelle sono consumate dai loro venti stellari” spiega Massimo Marengo dell’Iowa State University. “Quando consideriamo le Cefeidi come candele standard, dobbiamo state molto attenti dato che, come le vere candele, esse si consumano una volta che bruciano“. In particolare, la ricerca si è concentrata su Delta Cephei che rappresenta il prototipo della classe. Le stelle di massa intermedia possono diventare Cefeidi quando esse sono ancora giovani, perciò esse pulsano con un ritmo regolare che è correlato, a sua volta, con la loro luminosità. Studiando la variazione di luminosità è possibile determinare quanto intrinsecamente esse sono brillanti o quanto brillanti sarebbero se ci trovassimo nelle immediate vicinanze. Dunque, misurando la loro luminosità apparente e confrontandola con quella intrinseca, si può ricavare la loro distanza. Queste misure furono condotte negli anni ’20 da Edwin Hubble per misurare lavelocità di recessione delle galassie e scoprire così l’espansione dell’Universo. Ulteriori osservazioni condotte su altre Cefeidi, utilizzando sempre il telescopio spaziale Spitzer, hanno mostrato che il 25% di esse stanno perdendo massa. Queste scoperte aiuteranno gli astronomi a studiare ancora meglio questa classe di stelle e ad utilizzarle con maggiore precisione come candele standard.

ArXiv: Galactic Cepheids with Spitzer: II. Search for Extended Infrared Emission

L’energia scura e la costante cosmologica

L’orientazione delle coppie galattiche, che dovrebbe essere casuale, potrebbe aiutare gli astronomi a rivelare distorsioni nello spaziotempo causate dall’espansione dell’Universo.
Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Uno dei problemi affrontati da Einstein fu quello di capire se l’Universo fosse statico o in espansione. Infatti, introducendo la massa come protagonista principale della sua teoria generale della relatività, ci si aspettava che tutta la materia sarebbe collassata in un unico “punto” per l’effetto della mutua attrazione gravitazionale. Ma come mai questo non accadeva e cos’era che lo impediva?

Nel 1917, l’idea di Einstein fu quella di introdurre nelle equazioni della relatività generale un termine costante, chiamato successivamente la costante cosmologica, che aveva gli effetti di una forza repulsiva, per contrastare la gravità e rendere, per così dire, statico l’Universo. Sebbene Einstein cercò di scoprire il significato più profondo di questo termine egli affermò che la sua presenza nelle equazioni della relatività fu il “suo più grande errore” nel momento in cui venne a conoscenza dei risultati di Edwin Hubble sull’espansione dell’Universo. Di fatto, la teoria della relatività generale considerava un Universo non statico ma in espansione anche se lo stesso Einstein non riteneva ci fosse mai stato un momento della creazione. Insomma, nonostante le sue radicali convinzioni, la teoria di Einstein descriveva un Universo dinamico che un tempo doveva essere molto più piccolo, ancora molto più piccolo delle dimensioni di un atomo, un’idea che si adattava bene a quello che più tardi sarà chiamato il modello del Big Bang (vedasi Idee sull’Universo).

Oggi, due ricercatori francesci, Christian Marinoni e Adeline Buzzi, riportano le analisi relative alle osservazioni di alcune coppie di galassie distanti. I ricercatori hanno utilizzato un approccio diverso al cosiddetto test Alcock-Paczynski e si sono concentrati sull’allineamento individuale di centinaia di coppie di galassie, analizzando un campione di 721 coppie di galassie vicine della SDSS confrontando le loro velocità di recessione con quelle di un campione di 509 coppie di galassie più distanti della DEEP2 redshift survey. “L’orientazione di queste binarie galattiche dovrebbe apparire casuale nello spazio. Tuttavia la geometria dello spazio e l’espansione dell’Universo possono deformare le orientazioni apparenti” spiega Marinoni. Senza introdurre le dovute correzioni, queste orientazioni spaziali possono presentarsi distorte a causa del redshift che dipende da come si sta espandendo l’Universo. Correggendo per l’effetto geometrico e tenendo conto dell’energia scura, i ricercatori sono arrivati ad ottenere un modello nel quale le coppie galattiche vengono osservate in tutte le direzioni. Ciò ha permesso di confermare due “dogmi” del modello cosmologico standard: 1) che lo spazio è geometricamente piatto e 2) che è dominato dalla misteriosa energia scura, che si comporterebbe come la famosa costante cosmologica di Einstein.

Nonostante ciò, il cosmologo Michael Turner dell’Università di Chicago è un pò cauto nell’accettare questi risultati e suggerisce ulteriori ricerche prima che possa essere confermata, o meno, questa ipotesi.

[Abstract: A geometric measure of dark energy with pairs of galaxies]