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I misteri delle dimensioni spaziali nascoste

In un precedente post, ho spiegato come, secondo Steinhardt e Turok , il nostro Universo si sia originato da uno dei tanti big bang dovuti alle collisioni tra due membrane, o brane, descritte dalla teoria delle stringhe, ipotesi che eliminerebbe dunque il problema della singolarità iniziale. Ma esiste un modo di provare l’esistenza di questi universi paralleli? Se essi esistono davvero, perchè non possiamo vederli o “toccarli”?

Nel suo percorso di ricerca, descritto nel libro che vi presento oggi, Passaggi curvi. I misteri delle dimensioni nascoste dell’Universo, edito da Il SaggiatoreLisa Randall  ha dovuto abbattere, per così dire, alcuni ‘paletti’ della cosmologia e della fisica ufficiale e postulare l’esistenza di dimensioni nascoste, arrotolate, che sfuggono alla nostra percezione. Questa nuova visione dell’Universo potrebbe contribuire a risolvere uno dei grandi misteri della scienza moderna che ha a che fare con la gravità. Infatti, tre secoli fa, Newton formulò la legge di gravitazione universale ispirato, a quanto si dice, dalla visione della caduta di una mela staccatasi dal ramo di un albero. Si pensa che la gravità sia incontrastabile ma in realtà si tratta di una forza alquanto debole. E’ stato trovato che l’elettromagnetismo è molto più forte della gravità che al confronto risulta incredibilmente debole. La debole intensità della forza di gravità ha disorientato gli scienziati per anni ma oggi la teoria delle stringhe, grazie alle sue membrane e dimensioni extra, sembra offrire un nuovo modo di affrontare il problema. Lisa Randall si è domandata come mai la gravità fosse così debole rispetto alle altre tre forze della natura. Forse la gravità ha la stessa potenza della forza elettromagnetica ma per qualche ragione noi non riusciamo a percepire la sua azione. Ma perchè la gravità dovrebbe essere diversa e più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali? Secondo la Teoria M il punto chiave del problema sta nella forma geometrica delle stringhe. I teorici ritengono che tutto ciò che ci circonda sia composto da stringhe lineari e che gli estremi di ogni stringa siano ancorati alla nostra membrana tridimensionale. Esistono anche degli anelli chiusi che sono invece responsabili della gravità: essi si chiamano gravitoni. Le stringhe ad anello che formano i gravitoni non hanno estremi che le ancorino di conseguenza essi sono liberi di viaggiare verso altre dimensioni attenuando l’intensità della forza di gravità e facendola sembrare più debole rispetto alle altre tre forze fondamentali. Quindi, questa ipotesi apre una prospettiva affascinante perché se è vero che viviamo su una brana e se esistono universi paralleli su altre membrane accanto alla nostra forse non li vedremo mai, ma potremo un giorno percepirli grazie alla gravità. Muovendo dalle grandi scoperte del Novecento, in questo libro Randall spiega ai non addetti ai lavori la sua concezione dell’Universo come membrana dotata di quattro dimensioni spaziotemporali e immersa in uno spazio multidimensionale, e come questa sia dimostrabile dal punto di vista scientifico. Ma siamo proprio sicuri che l’Universo sia così come lo descrive la teoria delle stringhe? Davvero il mondo è fatto di stringhe, membrane o universi paralleli e dimensioni extra?

Una possibile correlazione tra materia scura e massa inerziale

Nel 1933, Fritz Zwicky notò qualcosa di anomalo nella velocità delle galassie che fanno parte di un ammasso e propose l’esistenza di un eccesso di materia ‘invisibile’ per spiegare l’andamento osservato. In seguito, le ricerche condotte principalmente da Vera Rubin sulle curve di rotazione delle galassie a spirale suggerirono definitivamente la presenza di una componente di materia diversa da quella associata alle stelle o alle galassie e a cui venne dato il nome di materia scura (vedasi Idee sull’Universo).

Nonostante questa sembra essere la spiegazione più semplice per spiegare questi ed altri problemi, in realtà sono stati proposti diversi modelli alternativi. Michael McCulloch, della Plymouth University nel Regno Unito e specializzato in geomatematica, cioè la matematica del posizionamento nello spazio, ha proposto di recente un modello in cui se viene modificata la massa inerziale di una galassia è possibile tener conto dell’andamento anomalo delle velocità delle stelle verso le regioni più esterne della galassia, anche se tale descrizione viola il famoso principio di equivalenza di Einstein. In generale, esistono due modi di calcolare la massa di un oggetto. Uno consiste nel confrontare la forza di gravità su un oggetto di massa non nota con quella su un oggetto di massa nota. Questo metodo dà ad un oggetto una determinata massa gravitazionale. Il secondo metodo, che determina la massa inerziale, riguarda l’applicazione di una forza nota ad un oggetto la cui massa non è nota, la misura dell’accelerazione e quindi il calcolo della sua massa attraverso la seconda legge della dinamica: F = m x a. Nel 1907, Einstein propose che la massa gravitazionale e quella inerziale sono equivalenti derivando così il principio di equivalenza che sta alla base della teoria della relatività generale. Nonostante questo principio sia stato verificato molte volte, con una precisione elevata, alcuni scienziati hanno provato a violare, per così dire, il principio di equivalenza nel tentativo di spiegare le curve di rotazione galattica senza prendere in considerazione la materia scura. Nel 1983, Mordehai Milgrom propose una teoria, denominata Modified Newtonian Dynamics (MoND), dove è possibile modificare leggermente la costante di gravitazione universale o la seconda legge di Newton quando si considerano gli effetti dell’accelerazione gravitazionale su scale molto piccole. Secondo la teoria MoND, la velocità delle stelle in orbita circolare attorno al nucleo della galassia è costante e non dipende dalla distanza dal centro. Tuttavia, per far sì che la teoria funzioni occorre aggiustare alcuni parametri. Nel 2007, McCulloch propose un modello per spiegare l’appiattimento della rotazione galattica, un problema analogo alla seconda versione della teoria MoND perché si propone di modificare la massa inerziale di un oggetto quando si considerano accelerazioni molto piccole che deviano dalla legge di Newton. A differenza della teoria MoND, il modello di McCulloch non richiede la variazione di alcuni parametri. Ma entrambi i modelli violano il principio di equivalenza quando si considerano oggetti che subiscono accelerazioni molto piccole come quelle che si hanno verso le regioni più esterne di una galassia: qui l’accelerazione è estremamente piccola se confrontata con quella a cui è soggetta la Terra. Di fatto, i valori dell’accelerazione sulla superficie terrestre sono dell’ordine di 9.8 m/sec2 mentre verso le regioni più esterne di una galassia i valori stimati sono dell’ordine di 10-10 m/sec2. Con una accelerazione così piccola, un oggetto impiegherebbe quasi 320 anni per passare da uno stato di quiete e raggiungere una velocità di 1 m/sec, oppure quasi 9000 anni per passare da 0 Km/h a circa 100 Km/h o, come disse lo stesso Milgrom, un tempo pari alla vita stessa dell’Universo per avvicinarsi alla velocità della luce.

McCulloch va oltre e chiama il suo modello in un modo un pò complicato: Modification of Inertia resulting from a Hubble-scale Casimir effect (MiHsC) o, più brevemente, inerzia quantizzata. Secondo questo modello, per calcolare accuratamente la massa inerziale di un oggetto occorre considerare l’emissione dei fotoni, detta radiazione Unruh, che è il risultato della sua accelerazione rispetto alla materia circostante. L’esistenza della radiazione Unruh non è ancora chiara perché non è stata osservata sperimentalmente. Nel modello MiHsC, l’effetto Casimir su scale cosmologiche, che si può pensare come una sorta di energia del vuoto prodotta da particelle virtuali, impone dei limiti alla lunghezza d’onda della radiazione Unruh. In altre parole, man mano che l’accelerazione diminuisce, le lunghezze d’onda della radiazione Unruh si ‘allungano’ su scale cosmologiche e parte di esse scompaiono. Ora, dato che si assume che questa radiazione contribuisca alla massa inerziale, una diminuzione dell’accelerazione determina poche onde Unruh e quindi una graduale diminuzione della massa inerziale dell’oggetto. In generale, con una massa inerziale molto piccola, una stella può essere accelerata più facilmente dalla stessa forza di gravità in una orbita chiusa. “Il punto è che non solo si può aumentare la massa gravitazionale di una galassia per trattenere le stelle con una forza maggiore (materia scura) ma si può diminuire la massa inerziale delle stelle così che esse siano trattenute in orbite chiuse anche da una piccolissima forza di gravità dovuta alla materia visibile. Il nostro modello fa quest’ultima cosa”, spiega McCulloch. Assumendo che l’inerzia di una galassia è dovuta alla radiazione Unruh che è, a sua volta, soggetta all’effetto Casimir su scale cosmologiche, McCulloch ha derivato una relazione tra la velocità e la massa visibile di una galassia o di un ammasso di galassie, detta relazione Tully-Fisher. Prendendo in considerazione solo la massa barionica, cioè quella della materia visibile, McCulloch ha utilizzato la relazione Tully-Fisher per derivare la velocità di rotazione delle galassie nane, delle galassie a spirale e degli ammassi di galassie. Sebbene le misure sono sovrastimate da circa 1/3 a circa 1/2, i valori delle velocità osservate sono ancora contenuti entro gli errori. Questo modo di pensare, cioè se non puoi direttamente osservare allora non ci pensare, può sembrare strano ma fu utilizzato dallo stesso Einstein per discreditare il concetto di Newton sullo spazio assoluto e formulare la teoria della relatività. Ritornando al modello MiHsC, con queste accelerazioni molto basse le stelle non possono sentire le onde Unruh, iniziano a perdere rapidamente la loro massa inerziale e ciò permette ad una forza esterna di intervenire nuovamente per accelerarle. A questo punto, la loro accelerazione aumenta, le stelle vedono un numero sempre maggiore di onde Unruh, acquisiscono inerzia e cominciano a decelerare. La situazione di equilibrio si ha attorno ad un valore di accelerazione minima che secondo la teoria è prossima al valore attuale dell’accelerazione cosmica. Dunque, MiHsC permette di descrivere le curve di rotazione galattica entro un certo grado di incertezza senza ammettere l’aggiustamento di qualche parametro fisico. Certamente occorrerà verificare sperimentalmente la validità del modello MiHsC anche se viola il principio di equivalenza. “Se consideriamo le normali accelerazioni sulla Terra, il disaccordo tra il principio di equivalenza e il mio modello è minimo mentre diventa importante quando le accelerazioni diventano piccolissime come quelle che si hanno verso le regioni periferiche di una galassia”, dice McCulloch. “Gli esperimenti sull’equilibrio di torsione hanno permesso di verificare il principio di equivalenza fino a valori dell’ordine di 10-15 m/sec2 e non possono mostrare gli effetti previsti dal mio modello. Questo perché tali esperimenti rappresentano versioni molto più accurate dell’esperimento di Galileo in cui egli faceva cadere due oggetti di massa differente dalla Torre di Pisa. Se il principio di equivalenza è corretto, l’oggetto più pesante sarà soggetto ad una maggiore accelerazione gravitazionale dovuta alla massa gravitazionale della Terra, ma sarà difficile che tale accelerazione sia anche dovuta alla massa inerziale del pianeta, quindi i due oggetti dovrebbero cadere in maniera uguale. L’accelerazione anomala prevista dal mio modello dovuta alla differenza tra massa gravitazionale e inerziale è indipendente dalla massa degli oggetti così che essi dovrebbero cadere ancora in maniera uguale ma con una velocità leggermente maggiore di quanto ci si aspetta. Dunque gli effetti del modello MiHsC non possono essere rivelati in questo tipo di esperimenti”. Il modello MiHsC permette infine di fare una previsione verificabile e cioè che verso la parte periferica della galassia le accelerazioni rimangono al di sopra di un certo valore per controbilanciare l’andamento decrescente in funzione della distanza dal centro. Insomma, McCulloch sta cercando di eliminare alcune ambiguità che sorgono quando si introducono più spiegazioni per una stessa osservazione e per cui diventa difficile arrivare a conclusioni definitive. La prova ideale sarebbe un laboratorio dove si possono controllare le condizioni ed isolare le cause. McCulloch spera che le osservazioni spaziali future possano dare credito al suo modello.

Maggiori info: The Physics from the Edge

ArXiv: Testing quantised inertia on galactic scales

La luce delle ‘prime’ stelle

Il video che voglio segnalare oggi è il quinto episodio della serie “The Hidden Universe of the Spitzer Space Telescope” che riguarda le osservazioni della radiazione proveniente dai primi oggetti che si sono formati nell’Universo.

Secondo il modello del Big Bang, materia, energia, spazio e tempo si sono originati da una enorme esplosione 13,7 miliardi di anni fa. Successivamente, lo spazio continuava ad espandersi e a raffreddarsi, riempiendosi di nubi di gas costituite principalmente da idrogenoed elio. Durante questa “epoca scura”, la gravità agì sul gas formando agglomerati e filamenti e dopo circa 400 milioni di anni le regioni più dense collassarono per dar luogo alla prima generazione di stelle. Se la prima popolazione di stelle fu caratterizzata da oggetti estremamente massicci, così come almeno si ritiene sia accaduto, essa avrebbe dovuto produrre una grande quantità di radiazione in presenza di numerose strutture. Tali oggetti sarebbero stati così brillanti ed enormi, forse fino a 1000 volte la massa del Sole, da produrre nelle loro fornaci nucleari i primi elementi più pesanti dell’Universo. Quindi, le esplosioni delle supernovae hanno fatto il resto spazzando nel mezzo interstellare questi elementi e producendo i “mattoni fondamentali” per formare i pianeti e persino gli esseri viventi. Dunque, per cercare questa popolazione primordiale di stelle sono state utilizzate immagini molto profonde con il telescopio spaziale Spitzer che ha osservato per lunghissime ore determinate regioni dello spazio mettendo in evidenza ciò che non è possibile realizzare con gli altri strumenti. Insomma, gli astronomi hanno potuto spingersi indietro nel tempo, fino a qualche miliardo di anni dopo il Big Bang, osservando la luce associata alla prima generazione di stelle di grande massa o, forse, a quella dovuta al gas super riscaldato che è stato successivamente attirato dal campo gravitazionale dei primi buchi neri.

L’energia scura esiste ed è là fuori nello spazio

L’immagine mostra i dati utilizzati nello studio. Le mappe sono rappresentate come gusci di crescente distanza dalla Terra, procedendo da sinistra a destra. La Via Lattea rappresenta la fonte più vicina di rumore per l’analisi dei dati. Gli altri sei gusci rappresentano le mappe contenenti milioni di galassie distanti. Queste mappe sono state realizzate con diversi telescopi a diverse lunghezze d’onda e hanno un codice colore per mettere in evidenza gli addensamenti della materia (in rosso le regioni più dense di materia, in blu le regioni meno dense). I ‘buchi’ nelle mappe rappresentano l’assenza di dati o la scarsa qualità dei dati. L’ultimo guscio a destra, il più grande, mostra la temperatura della radiazione cosmica di fondo realizzata dal satellite WMAP (rosso regioni più calde, blu regioni più fredde), che è l’immagine più lontana dell’Universo, circa 46 miliardi di anni luce di distanza. I ricercatori hanno rilevato correlazioni molto piccole tra queste due mappe, e cioè quella in primo piano (a sinistra) e la radiazione cosmica di fondo (a destra), con un livello di confidenza pari al 99,996%.
Credits: Earth: NASA/BlueEarth; Milky Way: ESO/S. Brunier; CMB: NASA/WMAP

E’ quanto emerge da uno studio condotto da un gruppo di ricercatori dell’Università di Portsmouth e dell’Università LMU di Monaco guidati da Tommaso Giannantonio e Robert Crittenden.

Dopo due anni di studio e analisi dati, gli scienziati hanno concluso che la probabilità di aver a che fare con la componente che domina il contenuto materia-energia dell’Universo è pari al 99,996%, proprio come quella relativa alla scoperta del nuovo bosone scalare (vedasi questo post). Dunque, nonostante l’energia scura sembra essere ormai una realtà rimane sempre un problema: non sappiamo cosa essa sia in definitiva. Nel passato, sono state utilizzate molte tecniche per confermare, o smentire, la sua esistenza. Tuttavia si tratta o di metodi indiretti o suscettibili di incertezze. Invece, secondo questi ricercatori, una chiara evidenza dell’esistenza dell’energia scura può essere ottenuta grazie all’effetto Sachs-Wolfe. Sappiamo, di fatto, che la radiazione cosmica di fondo, l’eco del Big Bang, è distribuita su tutto il cielo. Nel 1967, Sachs e Wolfe suggerirono il fatto che la luce proveniente dalla radiazione cosmica diventasse leggermente più blu passando attraverso le aggregazioni di materia, un effetto noto come redshift gravitazionale, rendendo irregolare lo spettro della radiazione cosmica. Nel 1996, Robert Crittenden e Neil Turok partirono da questa ipotesi e iniziarono a studiare come determinare piccole variazioni dell’energia dei fotoni confrontando la mappa della distribuzione della temperatura della radiazione cosmica con quella relativa alla distribuzione delle galassie nell’Universo locale. In assenza dell’effetto dovuto all’energia scura non ci sarebbe corrispondenza tra queste due mappe, mentre invece la presenza di energia scura porterebbe ad un effetto non molto intuitivo, più strano diremo, mediante il quale i fotoni della radiazione cosmica di fondo guadagnerebbero, per così dire, una certa quantità di energia man mano che passano attraverso le enormi aggregazioni di materia. Nonostante ciò, il segnale che deriva applicando il metodo Sachs-Wolfe è molto debole al punto che alcuni astronomi hanno suggerito che possa essere dovuto ad altre sorgenti celesti. Dunque, nonostante rimanga un certo dubbio sul fatto che tale metodo possa essere utilizzato come prova molto forte a favore dell’esistenza dell’energia scura, grazie ad un lavoro di due anni, i due ricercatori hanno analizzato e riesaminato tutte le argomentazioni a sfavore del metodo Sachs-Wolfe migliorando i dati rispetto agli studi precedenti. “Questo lavoro ci indica alcune possibili modifiche alle equazioni della relatività generale” dichiara Giannantonio. “Le survey del cielo di prossima generazione ci permetteranno o di confermare la validità della relatività generale, inclusa la componente energia scura, o di richiedere una teoria completamente nuova della gravità”. Insomma, pare che l’energia scura esista davvero ma rimane ancora uno dei grandi misteri della cosmologia moderna (vedasi Enigmi Astrofisici).

ArXiv: The significance of the integrated Sachs-Wolfe effect revisited


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Dalle onde radio nuovi indizi sulla ‘prima luce’ dell’Universo

All’inizio non c’era alcuna luce, e poi fu il Big Bang! Già, di fatto il Big Bang creò il nostro Universo 13,7 miliardi di anni fa, ma subito dopo lo spazio fu dominato dall’oscurità. Dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo, gli astronomi hanno ipotizzato che alcune centinaia di milioni di anni dopo la nascita dell’Universo, la gravità assemblò gli atomi diidrogeno e di elio per formare le prime nubi di gas. L’energia liberatasi durante questo processo surriscaldò alla fine le nubi mettendo in moto una catena di eventi che portarono alla nascita delle prime stelle. Nonostante la transizione tra la cosiddetta “età scura” e la nascita delle prime stelle e delle prime galassie potrebbe spiegare l’origine e l’evoluzione di molti corpi celesti, tuttavia gli astronomi conoscono ancora molto poco circa questa fase dell’evoluzione cosmica.

Di recente, due astronomi hanno condotto un esperimento per cercare di capire qualcosa di più circa questo periodo di transizione, noto come epoca della reionizzazione (Epoch Of Reionization, EOR). Ora, dato che è impossibile identificare la radiazione associata alle galassie primordiali, Alan Rogers del MIT Haystack Observatory e Judd Bowmann dell’Arizona State University si sono concentrati sulla ricerca delle onde radio che sono state emesse dall’idrogeno primordiale all’epoca presente nelle nasciture galassie. Alcune onde radio stanno, di fatto, raggiungendoci oggi e perciò esse potrebbero trasportare qualche informazione relativa al periodo dell’EOR. Appena le prime stelle cominciarono a formarsi durante l’epoca EOR, la loro radiazione ultravioletta eccitò gli atomi d’idrogeno più vicini, liberando gli elettroni e dando loro una carica positiva. Questo processo, noto comeionizzazione, è importante in cosmologia dato che segna un momento fondamentale nel periodo di transizione tra l’Universo primordiale, che conteneva solo idrogeno ed elio, e l’Universo di oggi dove osserviamo pianeti, stelle e galassie. Determinare esattamente quando, e per quanto tempo, questo processo di ionizzazione sia avvenuto costituisce un passo importante per confermare o modificare gli attuali modelli sull’evoluzione dell’Universo. I dati delle analisi indicano che ci sono voluti almeno 5 milioni di anni prima che l’idrogeno diventasse un gas ionizzato. E’ una grande coincidenza il fatto che la nascita delle prime stelle e delle prime galassie abbia richiesto la stessa quantità di tempo, o forse più, per diventare successivamente i corpi celesti che vediamo oggi come stelle e galassie.

Una teoria unificata sulla materia scura e l’energia scura

Due matematici, uno appartenente all’Università dell’Indiana e l’altro all’Università di Sichuan, hanno proposto una teoria unificata relativa ai due più grandi misteri della cosmologia moderna e che deriva da una modifica delle equazioni della relatività generale, la teoria di Einstein che descrive la gravità.

Shouhong Wang e Tian Ma suggeriscono che le leggi di conservazione dell’energia e del momento angolare sono valide solo se la materia ordinaria, la materia scura e l’energia scura vengono prese contemporaneamente in considerazione. Essi affermano che i due principi di conservazione non sono validi nel caso in cui si considera solamente la materia ordinaria. Nonostante venga ancora utilizzata la metrica dello spaziotempo curvo di Einstein, i due ricercatori dichiarano inoltre che l’esistenza di materia scura e dell’energia scura, che rappresentano entrambe il 96% del contenuto materia-energia dell’Universo, richieda un nuovo insieme di equazioni del campo gravitazionale che tenga conto di un nuovo tipo di energia dovuta ad una distribuzione non uniforme di materia. Questa energia può essere sia positiva che negativa per cui la loro somma si conserva. Quando Einstein elaborò la sua teoria della relatività, i concetti di materia scura e di energia scura non erano ancora stati introdotti per cui fu naturale ritenere che i principi di conservazione dell’energia e del momento angolare fossero validi per la materia ordinaria. La differenza con le equazioni di Einstein consiste proprio nell’introduzione di un campo scalare per cui la forza di gravità viene descritta non solo dalla metrica dello spaziotempo curvo ma anche da questo nuovo termine e dalle loro interazioni. “La cosa più importante è che l’introduzione di questo campo scalare che modifica le equazioni di Einstein permette di formulare una teoria unificata sia per l’energia scura che per la materia scura, che fino ad oggi sono state considerate come due entita’ totalmente separate e che hanno in comune solo l’aggettivo ‘scuro’” spiega Wang. “Ora, sia la materia scura che l’energia scura possono essere rappresentate dalla somma del nuovo campo scalare combinato con gli altri termini che compaiono nell’equazioni di Einstein”. Ciò vuol dire che la parte negativa di questa somma rappresenta la materia scura, che produce attrazione, mentre la parte positiva della somma rappresenta l’energia scura, che invece determina una repulsione e causa spazi sempre più vuoti tra le galassie. “In breve, noi crediamo che questa nuova formulazione delle equazioni di Einstein cambierà il nostro modo di comprendere l’energia, l’interazione gravitazionale e la stessa struttura dell’Universo” dichiara Wang. Kevin Zumbrun, presidente del Dipartimento di Matematica presso la IU Bloomington, ha dichiarato che la proposta teorica avanzata dai due ricercatori sembra essere promettente, anche se l’idea è alquanto speculativa a livello cosmologico dato che occorrerà verificarla sperimentalmente. Si tratta di cambiare il punto di vista e se si dimostrerà corretta potrebbe essere una grande scoperta. C’è da dire, infine, che le nuove equazioni implicano una modifica anche per la formula della gravitazione universale di Newton che mostra come la materia scura giuoca un ruolo importante su scale galattiche che vanno da circa 1000 fino a 100.000 anni-luce, ma diventa meno importante su scale cosmiche più grandi dove gli effetti dovuti all’energia scura diventano più significativi, ossia oltre i 10 milioni di anni-luce. E se materia scura ed energia scura fossero, dunque, la ‘stessa cosa’? Pare che la teoria di Wang e Ma sembra essere consistente con le proprietà sia della materia scura che dell’energia scura ma certamente occorreranno ulteriori test sperimentali e osservazioni molto dettagliate su scale cosmologiche al fine di validare o meno la proposta dei due ricercatori.

[Press release: IU mathematician offers unified theory of dark matter, dark energy, altering Einstein field equations]

ArXiv: Gravitational Field Equations and Theory of Dark Matter and Dark Energy

Le 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna

La cosmologia studia l’Universo ma allo stesso tempo essa rappresenta una delle discipline più creative e bizzarre della scienza. I cosmologi spesso si ‘divertono’ ad introdurre delle ipotesi, modelli e teorie fantastiche e suggestive, nella maggior parte dei casi non verificabili sperimentalmente, che tentano comunque di dare una spiegazione scientifica sull’origine dell’Universo. Vediamo allora qui di seguito una breve presentazione delle 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna.

1. Brane in collisione

Il nostro Universo potrebbe essere racchiuso in una sorta di gigantesca membrana che fluttua in uno spazio multidimensionale e che ciclicamente va in rotta di collisione con la membrana di un universo parallelo? Secondo il modello del ‘mondo-brana’ della teoria delle stringhe, esistono altre dimensioni spaziali extra dello spazio che sono solamente raggiungibili dai gravitoni mentre noi siamo confinati nel nostro universo-brana caratterizzato dalle tre dimensioni a cui siamo abituati. Neil Turok dell’Università di Cambridge e Paul Steinhardt dell’Università di Princeton hanno provato a spiegare il Big Bang come conseguenza della collisione di due brane. Queste collisioni si ripetono e danno luogo ad un nuovo ‘big bang’ perciò, se il modello ciciclo è corretto, il nostro Universo e gli altri universi potrebbero essere eterni (vedasi Idee sull’Universo).

2. Universi che evolvono

Quando la materia viene compressa fino a raggiungere densità estreme al centro di un buco nero, essa può rimbalzare all’indietro e dar luogo ad un ‘nuovo universo neonato’. Qui, le leggi della fisica potrebbero essere differenti rispetto a quelle dell’universo da cui si origina e ciò determina una sorta di evoluzione di universi, una idea suggerita da Lee Smolin del Perimeter Institute. Gli universi in cui esistono tanti buchi neri produrranno tanti universi neonati e alla fine essi saranno la popolazione dominante del multiverso. Se poi viviamo in un universo tale da possedere leggi e costanti fisiche che ottimizzano la produzione dei buchi neri, questa rimane una domanda aperta.

3. Uno spaziotempo superfluido

Una delle teorie più avanzate della moderna cosmologia suggerisce che lo spaziotempo è in definitiva una sostanza superfluida che ‘scorre’, per così dire, con una viscosità nulla. Dunque, se l’Universo è dotato di un moto di rotazione, allora lo spaziotempo superfluido dovrebbe essere caratterizzato da vortici, secondo Pawel Mazur dell’Università della Carolina del Sud e George Chapline del Lawrence Livermore Laboratories. Questi vortici rappresenterebbero quei ‘siti cosmici’ dove si sono formate le prime strutture che hanno successivamente dato luogo alla formazione delle galassie. Mazur suggerisce che il nostro Universo sarebbe nato dal collasso gravitazionale di una stella dove la combinazione della materia stellare con lo spazio superfluido avrebbero dato luogo all’energia scura, quella misteriosa forza che sta causando una accelerazione all’espansione dell’Universo.

4. Il ‘nostro’ Universo

Perché il nostro Universo possiede le “giuste” leggi della fisica da permettere l’esistenza della vita? Se le costanti fisiche fossero poche non avremmo più stelle, o materia o e, forse, l’Universo durerebbe solo un battito di ciglia. Una risposta a questa domanda è il principio antropico: in altre parole, l’Universo che vediamo deve ospitare la vita altrimenti noi non saremmo qui ad osservarlo. Di recente, questa idea ha avuto molti consensi perché il modello dell’inflazione cosmica suggerisce che dovrebbero esistere una infinità di universi là fuori e la teoria delle stringhe indica che questi infiniti universi devono essere caratterizzati da altrettante infinite leggi fisiche. Bisogna, però, dire che molti cosmologi non accettano il principio cosmologico perchè da un lato non si tratta di vera e propria scienza e dall’altro non fornisce  previsioni che possono essere verificate sperimentalmente.

5. Una questione di gravità

La materia scura potrebbe non essere in definitiva una sostanza fisica ma legata ad un diverso comportamento della forza di gravità. La teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), proposta da Mordehai Milgrom, suggerisce che la gravità non diventa più debole con l’aumentare della distanza così come vuole la legge della gravitazione universale. Questa sorta di ‘gravità potente’ potrebbe sostituirsi alla materia scura che tiene unite le galassie e gli ammassi di galassie visto che altrimenti si disperderebbero nello spazio. Una nuova formulazione della teoria MOND, consistente con le osservazioni, ha raccolto vari consensi da parte degli scienziati nonostante non descriva alcune proprietà della radiazione cosmica di fondo.

6. Un ‘fantasma’ cosmico

Tre misteri della cosmologia moderna potrebbero essere considerati come un tutt’uno. Dopo la revisione della teoria della relatività generale, un gruppo di fisici hanno trovato una strana sostanza che emerge dalla loro teoria: il cosiddetto “condensato fantasma”. Questa sostanza è in grado di produrre una forza gravitazionale repulsiva che guida, per così dire, l’inflazione cosmica per poi generare una accelerazione dello spazio che viene attribuita all’energia scura. In più, se questa sostanza si aggrega può formare la materia scura (vedasi Enigmi Astrofisici).

7. Un ‘piccolo’ universo

La mappa a ‘spot’ della radiazione cosmica di fondo presenta una peculiarità sorprendente: ci sono pochi ‘spot’ di grande dimensione. Una possibile spiegazione è data dal fatto che l’Universo potrebbe essere ‘piccolo’, così piccolo che, tornando all’epoca in cui si è originata la radiazione cosmica, non è stato in grado di trattenere, per così dire, questi enormi ‘blob’. Se ciò è vero, questo vuol dire che lo spazio si deve essere ‘riavvolto’, in qualche modo, su se stesso. Ma l’ipotesi più strana è che l’Universo abbia una forma a imbuto. La curvatura dello spazio piegata all’indietro potrebbe determinare la forma geometrica degli spot di piccole dimensioni facendogli assumere forme più ellittiche come quelle ossevate.

8. Più veloci della luce

Come mai regioni opposte dell’Universo mostrano lo stesso aspetto? E’ un vero e proprio enigma dato che le regioni più distanti dell’Universo osservabile oggi non dovrebbero essere state mai in contatto tra loro. Anche se andiamo all’inizio del tempo quando queste aree di cielo si trovavano molto vicine tra loro, si pensa che non ci sia stato abbastanza tempo per cui la luce, o forse qualcosa d’altro che ignoriamo, abbia viaggiato da una regione all’altra. E questo discorso vale anche per la distribuzione della temperatura e della densità. Si pensa che una soluzione è che la luce si sia propagata molto più velocemente, anche se per ammettere una tale ipotesi dovremmo rovesciare la teoria della relatività.

9. Neutrini sterili  

La materia scura potrebbe essere costituita dalle particelle più elusive che siano mai state immaginate: i neutrini sterili. Si tratta di particelle ipotetiche, più pesanti, insomma una specie di cugini dei normali neutrini che dovrebbero interagire con la materia solo attraverso effetti di tipo gravitazionale, un processo che li rende essenzialmente difficili da rivelare. Nonostante ciò, i neutrini sterili potrebbero avere le giuste proprietà per formare la cosiddetta materia scura “tiepida” e muoversi con velocità dell’ordine di qualche chilometro al secondo. Queste particelle esotiche potrebbero poi aiutare, per così dire, la formazione delle stelle e dei buchi neri nell’Universo primordiale e potrebbero essere la causa che spinge le stelle di neutroni a girovagare attorno alla nostra galassia.

10. Come nel film..Matrix 

Forse, il nostro Universo non è reale. Il filosofo Nick Bostrom ha suggerito una ipotesi in base alla quale noi viviamo all’interno di una simulazione creata al computer. Insomma, gli universi sarebbero delle simulazioni e dunque noi siamo abbastanza fortunati a vivere all’interno di una di esse. Ma allora, tutte le stranezze cosmologiche, come la materia scura o l’energia scura, sono semplicemente degli artefatti creati apposta per mascherare alcune inconsistenze che sono presenti nella simulazione.

More info: New Scientist

Gravity Probe-B, test di verifica della relatività

Illustrazione del concetto di spaziotempo che viene distorto dalla massa della Terra e attorcigliato dal suo moto di rotazione.

La teoria della relatività di Einstein rappresenta attualmente la miglior formulazione matematica mediante la quale possiamo descrivere l’Universo su grande scala. Essa è così formidabile perchè ci spiega in maniera brillante osservazioni apparentemente bizzarre, come ad esempio la curvatura dei raggi luminosi, ma anche perchè ci dà un quadro coerente dei fenomeni fisici della natura. Tuttavia, uno dei risultati più importanti della teoria è che essa ci mostra come l’Universo non si comporti in maniera completamente intuitiva, almeno per noi esseri umani: abbiamo sentito parlare di concetti quali la dilatazione del tempo, la contrazione delle lunghezze, la curvatura dello spaziotempo, la correlazione massa-energia. Insomma, pare proprio che il nostro “senso comune” sia decisamente sbagliato.

Dunque, non c’è da meravigliarsi se gli astronomi eseguono continuamente tanti test al fine di verificare le predizioni della relatività e capire se esistono delle piccole variazioni che potrebbero addirittura cambiare la nostra concezione dello spazio e del tempo. Uno di questi concetti molto curiosi e non intuitivi è il fatto che lo spazio non è curvo solo per gli effetti della gravità dovuta ad un corpo di grande massa ma che la sua rotazione determina una ulteriore curvatura dello spazio, nota come frame dragging effect. La previsione di questo secondo effetto è talmente piccola che è molto difficile misurarla. Ma quanto piccola? Secondo la relatività generale, l’effetto della rotazione dello spaziotempo terrestre dovrebbe incidere sulla rotazione dell’asse di un giroscopio in orbita nello spazio di circa 11 milionesimi di grado nel corso di un anno, una quantità veramente piccola. Per verificare tutto ciò, nel 2004 venne lanciato in orbita il satellite Gravity Probe-B i cui risultati dopo sette anni di esperimenti non mostrano alcun disaccordo rispetto alle previsioni della teoria di Einstein.

More info ArXiv: VLBI for Gravity Probe B (7 papers)

Tutte le ‘ciambelle spaziotemporali’ escono col buco nero

L’immagine mostra due strutture a vortice che assumono forma di due ciambelle che sono prodotte da un buco nero ‘pulsante’. Al centro dell’immagine si notanto altri due vortici, in rosso e blu, connessi al buco nero e che produrranno un terzo vortice a forma di ciambella con la prossima pulsazione.
Credit: The Caltech/Cornell SXS Collaboration

L’immagine mostra due vortici a spirale (in giallo) correlate allo spaziotempo trascinato dalla rotazione del buco nero, mentre in rosso sono rappresentate le linee di vortice che formano, appunto, i vortici.
Credit: The Caltech/Cornell SXS Collaboration

Eh già, questa volta è proprio il caso di dirlo, dopo che un gruppo di ricercatori, guidati da Kip Thorne, hanno simulato l’interazione di due buchi neri (merging) osservando quello che succede allo spaziotempo circostante. La distorsione dello spaziotempo, che si comporta come la superficie del mare soggetta ad una tempesta, è così complicata che gli scienziati non sono stati in grado di capire, almeno finora, tutti i dettagli del processo del merging.

Abbiamo trovato un modo di visualizzare lo spaziotempo come non era stato fatto in precedenza“, spiega Kip Thorne del Caltech. Mettendo insieme la teoria e i modelli realizzando simulazioni in computer grafica, Thorne e collaboratori hanno sviluppato alcuni strumenti concettuali che essi hanno chiamato “tendex lines” e “vortex lines“. Gli scienziati hanno scoperto che l’interazione di due buchi neri produce un “vortice di linee” che formano una struttura a forma di ciambella che si diparte dal punto in cui si è formato il buco nero, risultante dal processo di merging, verso l’esterno, un pò come quando l’acqua viene spruzzata da un rubinetto in rotazione in tutte le direzioni. Queste linee chiamate “tendex” e “vortex” descrivono le forze del campo gravitazionale dovute alla distorsione dello spaziotempo. Esse sono analoghe alle linee di forza dei campi elettrici e dei campi magnetici. Le linee “tendex” descrivono la componente della forza che la distorsione dello spaziotempo esercita su qualsiasi cosa essa incontri. Le linee “vortex” descrivono, invece, la componente della forza che curva lo spazio. Insomma, queste strutture forniscono un nuovo modo di studiare i buchi neri e la gravità.

ArXiv: Frame-Dragging Vortexes and Tidal Tendexes Attached to Colliding Black Holes: Visualizing the Curvature of Spacetime

Ulteriori info: The Caltech-Cornell SXS Collaboration