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WMAP, pubblicati i dati finali dopo nove anni di osservazioni

Sin da quando è stato lanciato nel lontano 2001, il satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ha rivoluzionato la nostra visione dell’Universo, rafforzando un modello cosmologico mediante il quale gli astronomi possono oggi spiegare tutta una serie di osservazioni. La missione spaziale, guidata da Charles L. Bennett della Johns Hopkins University, ha permesso di determinare, con un elevato grado di precisione, non solo l’età dell’Universo ma anche la densità degli atomi, la densità di tutta la materia non composta da atomi, l’epoca di formazione delle prime stelle, localizzando persino quei ‘siti cosmici’ dove la materia si è aggregata per formare successivamente le galassie e gli ammassi di galassie.

In breve, le osservazioni di WMAP ci hanno fornito l’informazione sui suddetti parametri con un livello di accuratezza circa 70 mila volte superiore facendo della cosmologia una scienza di precisione. Oggi, trascorsi due anni da quando il satellite è andato in pensione, Bennett e il suo gruppo scientifico hanno pubblicato i risultati finali della missione dopo nove anni di osservazioni. “Si tratta quasi di un miracolo” spiega Bennett. “L’Universo sembra racchiudere una sorta di codice personale che si cela nella radiazione cosmica di fondo e quando lo abbiamo decodificato abbiamo rivelato la sua storia e il suo contenuto. E’ davvero sorprendente come ogni cosa vada nel suo posto”. L’immagine ottenuta da WMAP che fotografa l’Universo da ‘giovane’, all’età di appena 375 mila anni dopo il Big Bang, ci permette di porre dei limiti su ciò che potrebbe essere accaduto prima e su ciò che accaduto miliardi di anni dopo quel momento. Il modello cosmologico standard, noto anche come Big Bang, che afferma che l’Universo delle origini era estremamente caldo e denso e che poi si è raffreddato in seguito alla sua espansione, è fortemente supportato dai dati di WMAP. Inoltre, le osservazioni di WMAP vanno a favore di un altro modello, l’inflazione, che descrive gli attimi immediatamente dopo la grande esplosione iniziale. Il modello inflazionistico afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale causando un incremento del proprio volume di spazio dell’ordine di circa un trilione di trilione di volte in meno di un trilionesimo di trilionesimo di secondo. In seguito a questa immane variazione di volume dello spazio, si generarono piccolissime fluttuazioni di densità che alla fine crebbero portando alla formazione delle galassie. Le misure estremamente precise di WMAP relative alle fluttuazioni di densità della materia hanno confermato determinate previsioni della versione più semplice del modello inflazionistico: in altre parole, le fluttuazioni seguono una curva a campana che ha le stesse proprietà su tutto il cielo; inoltre, la mappa del cielo contiene in ugual numero regioni più calde e più fredde. Infine, i dati di WMAP confermano alcune previsioni in base alle quali l’ampiezza delle variazioni di densità su larga scala è leggermente maggiore rispetto a quella su scale più piccole e che la forma dello spazio segue le leggi della geometria euclidea. Di recente, lo stesso Stephen Hawking ha commentato alla rivista New Scientist che l’evidenza trovata da WMAP a favore dell’inflazione è stata la scoperta più emozionante in tutta la sua carriera di fisico.

L’Universo è fatto dal 4,6% di atomi, una frazione maggiore, il 24%, è composta da materia invisibile, denominata materia scura, mentre la parte rimanente e la più dominante, il 71%, è una forma di energia, una sorta di anti-gravità, chiamata energia scura, che permea tutto lo spazio e sembra guidare l’espansione accelerata dell’Universo. Grazie alle osservazioni di WMAP è stato possibile risalire all’epoca di formazione delle prime stelle, ossia quando l’Universo aveva una età di circa 400 milioni di anni. Uno degli obiettivi scientifici del telescopio spaziale di nuova generazione James Webb sarà quello di esplorare in dettaglio questa particolare epoca della storia cosmica per ricavare ulteriori indizi sulla formazione delle stelle più antiche. “L’ultima parola di WMAP segna la fine dell’inizio nella nostra ricerca verso la comprensione dell’Universo” commenta Adam Riess, premio Nobel per la Fisica nel 2011 per aver scoperto gli effetti dovuti all’energia scura sull’espansione dello spazio. Insomma, WMAP ha aperto le porte alla cosmologia di precisione, dunque l’Universo non sarà più lo stesso come prima.


Il video seguente illustra i risultati di WMAP commentati da Charles Bennett


arXiv: Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results

arXiv: Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results

Il nostro Universo potrebbe far parte di un multiverso più grande

E’ stato detto più volte che il nostro Universo potrebbe essere non l’unico ad esistere là fuori ma essere uno dei tanti infiniti universi che compongono quello che viene chiamato il “multiverso”. Nonostante questo concetto possa determinare una certa incredulità, esistono delle motivazioni fisiche che giustificano, per così dire, questa affermazione. Inoltre, dobbiamo dire che non esiste un solo modo per arrivare a questa conclusione perchè altre teorie puntano tutte, e in maniera indipendente, al concetto di multiverso. Molti teorici credono, di fatto, che l’esistenza di altri “universi nascosti” o non visibili è molto più probabile di quanto venga ipotizzato diversamente. Ecco qui di seguito le cinque teorie scientifiche più plausibili che suggeriscono l’esistenza del multiverso.


 Infiniti universi

Illustrazione artistica dello spaziotempo che si estende all’infinito.
Credit: Shutterstock/R.T.Wohlstadter

Gli scienziati non sono sicuri di quale sia la forma dello spaziotempo, anche se con ogni probabilità esso ha una geometria piatta o euclidea, e si estende all’infinito. Ma se il tessuto spaziotemporale si estende indefinitivamente, ci aspettiamo che in qualche punto deve cominciare a replicarsi perché esiste un numero finito di modi con cui le particelle si possono sistemare nello spazio e nel tempo. Dunque, se si guarda abbastanza lontano, in linea teorica dovremmo incontrare un’altra replica di noi stessi o, meglio, infinite repliche di noi stessi. Alcune di queste repliche gemelle faranno esattamente ciò che noi stiamo facendo adesso mentre le altre si comporteranno in maniera completamente diversa. Ora, dato che l’Universo osservabile si estende da quando la radiazione ha cominciato ad apparire e a diffondersi nello spazio circa 13,7 miliardi di anni fa, lo spaziotempo oltre questa distanza può essere considerato come un universo vicino che si è già separato. In questo modo, esisterebbe una moltitudine di universi vicini come una sorta di gigantesco insieme di tasselli (universi) che compongono il puzzle (multiverso).


Universi a bolle  

Illustrazione artistica del concetto di universi-bolla.
Credit: Shutterstock/Victor Habbick

Oltre all’ipotesi degli universi multipli che sono creati dal tessuto dello spaziotempo che si estende in maniera infinita, altri universi potrebbero emergere da quella che viene chiamata la “inflazione eterna”. Il modello dell’inflazione afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale subito dopo il Big Bang, aumentando il suo volume di spazio come un palloncino delle feste quando viene gonfiato. L’inflazione eterna, introdotta da Alexander Vilenkin, suggerisce un processo in base al quale in alcune porzioni dello spazio l’inflazione si arresta mentre in altre prosegue e questa situazione dà luogo alla formazione di tanti “universi a bolle” isolati. In questo modo, il nostro Universo, dove l’inflazione si è arrestata permettendo la formazione di stelle e galassie, è come una sorta di piccola bolla cosmica in un immenso oceano di spazio che contiene altri universi-bolla che stanno ancora subendo il processo d’inflazione. In alcuni di questi universi-bolla, le leggi e le costanti della fisica potrebbero essere differenti dalle nostre rendendo così gli altri universi decisamente strani o magari con forme di vita aliena bizzarre.


 Universi paralleli

Illustrazione artistica del concetto di universi-membrana che fluttuano in uno spazio multidimensionale.
Credit: Shutterstock/Sandy MacKenzie

Un’altra idea che emerge dalla teoria delle stringhe si basa sul concetto dei “brana-universi”, cioè universi paralleli che giacciono sulle superfici a 11 dimensioni note come “membrane” o più semplicemente “brane”. Questa teoria è stata introdotta da Paul Steinhardt e Neil Turok come alternativa al modello cosmologico standard al fine di superare il problema della singolarità iniziale del Big Bang. Dunque, secondo la teoria delle stringhe esistono altre dimensioni spaziali nascoste, rispetto alle tre dimensioni spaziali e a quella temporale a cui siamo abituati, che danno luogo a “brane” tridimensionali che fluttuano in uno spazio multidimensionale e dove in ciascuna di esse esiste un determinato universo. Possiamo immaginare che ogni universo-brana sia come una fetta di pane che fluttua in uno spazio multidimensionale assieme a tante altre fette di pane. Queste brane non sono sempre parallele tra loro e perciò, di tanto in tanto, esse collidono causando big bang multipli ognuno dei quali causa la nascita di un nuovo universo.


 Universi figli

Credit: NASA/JPL

La meccanica quantistica, che descrive il mondo degli atomi e delle particelle elementari, suggerisce un altro modo per la formazione degli universi multipli. La teoria descrive il mondo che ci circonda in termini di probabilità e non di certezze perciò le sue equazioni matematiche implicano che tutte le possibili combinazioni di una determinata situazione potranno verificarsi nei rispettivi singoli universi. Ad esempio, se arriviamo ad un incrocio dove possiamo andare a sinistra o a destra, l’Universo in cui viviamo potrebbe dar luogo, secondo la meccanica quantistica, a due “universi-figli”: uno in cui si procede a sinistra e un altro in cui si procede a destra. Inoltre, in ogni universo esiste una nostra copia testimone di ciò che accade dell’una o dell’altra situazione, la quale crede, anche se non correttamente, che la propria realtà sia l’unica che esista.


 Universi matematici

Credit: WGBH Educational Foundation

Gli scienziati hanno a lungo dibattuto sul fatto che la matematica sia semplicemente uno strumento utile per descrivere le leggi fisiche dell’Universo o se essa rappresenti effettivamente la realtà fondamentale per cui le nostre osservazioni dell’Universo siano in definitiva percezioni imperfette della sua vera natura matematica. Se è vero il secondo caso, forse la particolare struttura matematica che sta alla base del nostro Universo non è solamente l’unica opzione e perciò tutte le possibili strutture matematiche possono esistere nei rispettivi singoli universi.


Per maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici. Dal Big Bang al Multiverso

L’Universo raccontato dal professor Frè

Sin dagli albori delle antiche civiltà, l’uomo ha sempre rivolto lo sguardo verso il cielo allo scopo di trovare, forse, una relazione che collegasse gli eventi terreni e gli astri attraverso gli dei. Con il solo ausilio dell’occhio nudo, gli antichi edificavano edifici o enormi strutture in pietra per osservare i movimenti del Sole, dei pianeti e delle stelle, e seguire l’alternarsi delle stagioni. Insomma per gli antichi il cielo era una sorta di gigantesco orologio sopra le teste che serviva per studiare e prevedere il movimento delle stelle, spesso legato al destino degli uomini e della storia. Ma dall’epoca in cui Galileo puntò il suo cannocchiale verso il cielo sono passati quattro secoli di osservazioni e di scoperte che ci hanno permesso di comprendere, almeno in gran parte, come funziona l’Universo. Nel libro del professor Pietro Frè che voglio segnalare oggi, Il fascino oscuro dell’inflazione. Alla scoperta della storia dell’Universo, edito da Springer-Verlag, viene raccontata la storia dell’astronomia, partendo dalle idee dell’Universo di Aristotele , che erano limitate ad un mondo statico, eterno e di dimensioni finite, fino alla visione più moderna di un Universo dinamico, immenso ed in espansione accelerata, creato non più da una singolarità iniziale, bensì da una piccolissima fluttuazione quantistica, così come vuole la cosmologia di stringa. Il progresso compiuto nel secolo scorso non ha paragoni rispetto ai secoli precedenti, basti pensare alla formulazione della teoria generale della relatività, che spiega la struttura dell’Universo su grande scala, e alla nascita della meccanica quantistica, l’altro modello matematico che invece ci descrive il mondo degli atomi e delle particelle. La scoperta dell’espansione dell’Universo, assieme alla rivelazione, per caso, della radiazione cosmica di fondo, cioè l’eco della grande esplosione iniziale, costituiscono i due pilastri fondamentali su cui si basa il modello cosmologico standard, o del Big Bang, che, però, presenta delle lacune. Oggi, l’inflazione rappresenta il modello teorico che meglio descrive l’evoluzione dell’Universo subito dopo le primissime fasi iniziali e permette di rivelare i misteri delle leggi fisiche su scale atomiche e in condizioni estreme di temperatura ed energia che sono caratteristiche del mondo delle stringhe e della gravità quantistica .

Come è nato l’Universo?

E’ una delle grandi domande a cui gli scienziati stanno cercando di dare una risposta. Attualmente, il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore per descrive, con buona approssimazione, le fasi evolutive della storia cosmica. Secondo questo modello possiamo rappresentare la nascita e l’evoluzione dell’Universo in tre atti: 1) una singolarità iniziale che fa emergere l’Universo dal nulla; 2) l’inflazione cosmica che dà forma all’Universo e 3) l’espansione cosmica durante la quale si formano le stelle e le galassie man mano l’Universo si raffredda. Tuttavia, il modello cosmologico standard non è completo in quanto le leggi della fisica vengono meno in prossimità dell’istante iniziale, cioè nel momento del Big Bang: qui, le equazioni della relatività generale divergono e danno valori infiniti della densità e della temperatura. Già, ma allora che cos’è il Big Bang? Nessuno lo sa e il termine stesso contiene una contraddizione poiché non è stato “big”, dato che l’Universo sarebbe emerso da una singolarità, e non c’è stato un “bang”, dato che non c’era un mezzo su cui si sarebbero propagate onde sonore. In realtà, il Big Bang non indica una esplosione “nello” spazio ma “dello” spazio stesso poiché da questo enigmatico evento iniziale si sarebbero originati, oltre lo spazio, anche il tempo, la materia e l’energia (vedasi Idee sull’Universo).

Questa spiegazione sulla nascita dell’Universo non lascia, però, tutti soddisfatti e, se ci ragionate un attimo, diventa difficile accettare una situazione fisica che generi l’Universo dal nulla (vedasi questo post). La domanda successiva potrebbe essere: “che cosa” avrebbe dato il via? Ad oggi nessuno sa rispondere a questa domanda e allora alcuni scienziati stanno provando a cambiare il punto di vista proponendo altri scenari cosmologici in cui viene eliminato il problema della singolarità. I due modelli alternativi, descritti qui di seguito, si basano rispettivamente su argomentazioni che derivano dalla meccanica quantistica e dalla teoria delle stringhe.

Universo pulsante

Nel suo libro edito da Alfred A. Knopf Once before Time: A whole story of the Universe, Martin Bojowald, professore di fisica presso la Penn State University affronta uno dei problemi della fisica di frontiera è cioè quello di risolvere, appunto, la singolarità del Big Bang, un momento significativo della storia dell’Universo dove, però, le leggi della fisica come noi le conosciamo non sono più valide. Ma a questo problema se ne aggiunge un altro dato che il tentativo di unificare la teoria quantistica con la relatività generale porta agli infiniti. Secondo Bojowald, la teoria della gravità quantistica potrebbe eliminare questi problemi e, forse, spiegare qual’era lo stato fisico dell’Universo ancora prima del Big Bang. Per fare un esempio, possiamo paragonare la teoria quantistica della gravità ad un quadro la cui cornice può sembrare definita per alcuni mentre per altri il disegno in essa contenuto deve essere ancora completato. Una estensione della teoria quantistica della gravità è la cosiddetta Loop Quantum Gravity (LQG), elaborata per la prima volta nel 1990 da Carlo Rovelli e Lee Smolin, per spiegare il moto degli atomi in uno spaziotempo quantizzato. Secondo questa teoria, il tempo non si ferma esattamente nel Big Bang ma ci può essere una sorta di “preistoria del tempo”. In altre parole, con la LQG si introduce il concetto di tempo discreto e la teoria prevede l’esistenza di nuove forze di natura repulsiva che contrastano il collasso gravitazionale classico. Insomma, il tempo ha la forma di un reticolo che può assorbire una determinata quantità di energia, ma non di valore infinito, in modo da bloccare il collasso gravitazionale e trasformarlo successivamente in espansione. In questo modo, l’Universo si espande e si contrae ciclicamente senza mai arrivare ad una singolarità.

Universo ciclico

L’altro affascinante modello cosmologico di cui Vi voglio parlare si basa su concetti più esotici che nascono dalla teoria delle stringhe. Nel loro libro Universo senza fine. Oltre il Big Bang, edito da Il Saggiatore , Paul J. Steinhardt  e Neil Turok partono dal fatto che non esiste una teoria o un modello che spieghi “che cosa” abbia causato il Big Bang, anche se le recenti formulazioni matematiche della cosmologia di stringa descrivono la singolarità iniziale come un momento di transizione nella storia dell’Universo. In maniera brillante ed eloquente, Steinhardt e Turok criticano il modello cosmologico standard e presentano una descrizione alternativa assumendo che il Big Bang sia solo un momento di transizione nell’infinita serie di collisioni tra due membrane, o brane, su una delle quali risiede il nostro Universo e sull’altra un universo parallelo. Tutto questo dà luogo ad una sorta di “universo ciclico”. Bisogna dire che i due modelli hanno molto in comune perchè entrambi concordano sul fatto che l’Universo si sia espanso negli ultimi 14 miliardi di anni e anche su come si sono formate le stelle e le galassie. Tuttavia i due modelli vanno in contrasto su ciò che riguarda lo stato fisico dell’Universo prima del Big Bang. Di fatto, il modello cosmologico standard ammette la singolarità come punto di partenza da dove hanno avuto origine lo spazio, il tempo la materia e l’energia. Il modello ciclico ammette ancora il Big Bang che, però, non rappresenta l’inizio dello spazio e del tempo. Secondo Steinhardt e Turok, non c’è stato solamente un “bang” nella storia dell’Universo, ma tanti “big bang” che si ripetono ciclicamente con un tempo scala di 1000 miliardi di anni, ciascuno dei quali è caratterizzato dalla creazione di materia ed energia e dalla successiva formazione di nuove stelle, galassie, pianeti e, forse, della vita stessa. Dunque il nostro Universo sarebbe quello prodotto dall’ultimo ciclo di una collisione avvenuta tra due membrane.

Come facciamo, quindi, a discriminare tra questi scenari cosmologici? Quale modello è quello più vicino alla realtà? In generale, cosa può fare un modello? Ogni teoria sullo spaziotempo deve essere coerente con ciò che siamo in grado di osservare nell’Universo. Di fatto, nessuna osservazione diretta del Big Bang sarà possibile. L’epoca più antica che possiamo osservare risale a circa 400 mila anni dopo la nascita dell’Universo e ci è stata fornita dal satellite WMAP. Prima di questa epoca, l’Universo era troppo caldo e opaco a causa della radiazione emessa, sarebbe un pò come cercare di vedere sotto la superficie del Sole. Uno dei risultati più importanti è che i dati di WMAP sulla radiazione cosmica di fondo indicano che la geometria dell’Universo è piatta su larga scala e ciò supporta il modello di Guth sull’inflazione. Ma la “prova finale” potrebbe arrivare dallo studio di un’altra forma di radiazione fossile, ad esempio dovuta all’emissione e alla propagazione di onde gravitazionali. Se i dati del satellite Planck, che ha un potere esplorativo più elevato rispetto al suo predecessore, riveleranno ‘tracce’ del passaggio di onde gravitazionali, che è uno degli obiettivi scientifici della missione, allora questo rappresenterà un punto a favore della teoria dell’inflazione, già perché il modello degli universi-membrana prevede una debole, se non quasi assente, produzione di onde gravitazionali. Dunque, non ci resta che aspettare i risultati di Planck che dovrebbero essere resi pubblici entro la fine di quest’anno.

Un Universo emerso dal nulla

Agli inizi del 1916, Albert Einstein aveva appena completato il lavoro più importante della sua vita, durato circa dieci anni, una intensa battaglia intellettuale che terminò nella formulazione di una nuova teoria della gravità e che egli denominò in seguito teoria generale della relatività. Non si trattò solamente di una teoria della gravità perché allo stesso tempo essa includeva nuovi concetti di spazio e di tempo. Inoltre, il lavoro di Einstein fu senza dubbio la prima teoria scientifica che fu in grado di spiegare non solo come si muovono gli oggetti nello spazio ma come evolve l’intero Universo. Comunque sia, la teoria conteneva un problema. Applicando le equazioni della relatività all’intero Universo, Einstein si rese conto che la sua descrizione matematica non era in grado di descrivere la realtà fisica. Nel 1917, la comunità scientifica discuteva sul fatto che l’Universo fosse statico ed eterno, costituito da una singola galassia, la Via Lattea, circondata da uno spazio vuoto, scuro ed infinito e a quel tempo non c’era alcun motivo di ritenere il contrario. Nella teoria di Einstein, così come nella teoria di Newton formulata circa tre secoli prima, la gravità è una forza puramente attrattiva che si esercita tra due corpi dotati di grande massa. Ciò vuol dire che è impossibile trovare un insieme di corpi celesti in quiete nello spazio per sempre poiché la loro reciproca attrazione gravitazionale determinerà alla fine un collasso gravitazionale verso il centro, cosa che era in contrasto con l’idea di un Universo apparentemente statico. Ora, l’idea che la teoria di Einstein fosse inconsistente con questa descrizione dell’Universo fu una sorta di colpo basso. Nonostante si dice che Einstein lavorasse in isolamento, rinchiuso nella propria casa per anni, utilizzando solo il suo pensiero e la sua ragione, in realtà egli fu sempre guidato profondamente da esperimenti e da osservazioni. Mentre eseguiva i suoi “esperimenti mentali”, Einstein studiava intensamente la matematica al punto da produrre una teoria alquanto elegante. L’apparente disaccordo tra la sua teoria e le osservazioni in relazione alla staticità dell’Universo durò poco al punto che Einstein dovette introdurre una modifica all’equazioni che successivamente definirà l’errore più grande della sua vita. La scoperta che l’Universo non è statico piuttosto in espansione ebbe delle implicazioni importanti, sia di natura filosofica ma anche religiosa, perché suggeriva che l’Universo doveva aver avuto una origine, una nascita, insomma una creazione. Quasi come ironia della sorte, la prima persona che propose l’idea della creazione dell’Universo fu proprio un prete e fisico belga di nome Georges Lemaitre. Nel 1927, Lemaitre trovò alcune soluzioni delle equazioni della relatività generale dimostrando che la teoria prevede non solo un Universo non statico ma che lo spazio stesso si espande. I risultati ottenuti sembrarono così fuori luogo che lo stesso Einstein rispose al prete belga in maniera ironica affermando: “la Vostra matematica è corretta ma la Vostra fisica è abominevole”. Ma Lemaitre andò oltre e nel 1930 egli propose che l’Universo si fosse originato da un punto infinitesimale, che egli chiamò l’atomo primordiale, e che questo inizio rappresentasse, forse in analogia alla Genesi biblica, una sorta di “giorno senza ieri”. Insomma il Big Bang, sostenuto anche da Papa Pio XII, fu proposto inizialmente da un prete il quale se fosse o meno accaduto realmente si trattava comunque di una argomentazione scientifica e non teologica. Tuttavia, né Lemaitre né Pio XII convinsero la comunità scientifica che l’Universo fosse in espansione. Piuttosto, l’evidenza arrivò dalle attente osservazioni che furono realizzate da Edwin Hubble verso la fine degli anni ’20 grazie alle notti trascorse presso il telescopio di Monte Palomar, il più grande dell’epoca. Ciò che ne seguirà fa parte della storia della cosmologia (vedasi Idee sull’Universo).

Nel libro che mi piace segnalare oggi, A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing edito da Free Press, il fisico teorico Lawrence Krauss offre una serie di risposte provocatorie su dove e come ha avuto origine l’Universo, su cosa c’era prima, su quale sarà il suo destino finale e come mai dal nulla si è originato tutto ciò che vediamo attorno a noi. Krauss descrive gli approcci scientifici più moderni che tentano di spiegare come mai esiste l’Universo anzichè il nulla e i risultati che vengono presentati sono sorprendenti ed affascinanti: il risultato è che non solo può originarsi qualcosa dal nulla ma qualcosa avrà sempre origine dal nulla.

WiggleZ conferma il ‘nostro’ modello di Universo

E’ noto che le galassie sono formate dalle stelle e che le galassie a loro volta si raggruppano per formare gli ammassi di galassie e che, ancora, gli ammassi di galassie formano le strutture più grandi che conosciamo, i super ammassi. Ma a quale livello, se ne esiste uno, si ferma questa sorta di sequenza di strutture cosmiche? Gli scienziati hanno a lungo dibattuto su questo argomento dato che la formazione degli ammassi su larga scala sarebbe in contrasto con quanto viene descritto dal “nostro” modello cosmologico standard. Questo modello si basa sulle equazioni della relatività generale e assume che qualsiasi struttura cosmica sia abbastanza lineare e continua considerando le più grandi scale cosmologiche. Se, però, trovassimo che la materia si addensa su queste enormi distanze cosmiche allora dovremmo rivedere il nostro modello di Universo.

I cosmologi sono d’accordo sul fatto che su scale più ‘piccole’, si intendono distanze dell’ordine di decine di milioni di anni-luce, le strutture tendono a raggrupparsi. Dunque, il modello cosmologico standard può essere ancora corretto se la distribuzione di materia si mantiene omogenea su scale cosmiche maggiori, non importa la direzione di vista. Tuttavia, alcuni scienziati hanno di recente affermato che l’Universo nella sua totalità non è sempre omogeneo e che , invece, la materia si addensa su scale più piccole, un po’ come i famosi frattali di Mandelbrot che descrivono, ad esempio, la struttura di un fiocco di neve. Ciò vuol dire che se l’Universo possiede proprietà simili a quelle di un frattale, la nostra descrizione dello spaziotempo è sbagliata così come il concetto di energia scura. Oggi, la pubblicazione di nuovi dati che derivano da una survey del cielo potrebbero mettere fine a questo dibattito. Infatti, grazie ad una serie di osservazioni condotte con il telescopio anglo-australiano è stato trovato che su distanze cosmologiche maggiori di 350 milioni di anni-luce la materia si distribuisce in maniera estremamente regolare presentando qualche piccola struttura che ricorda i frattali. La survey denominata WiggleZ contiene più di 200 mila galassie e si riferisce ad un volume di spazio di circa 3 miliardi di anni-luce cubici. Questa scoperta è di fondamentale importanza perché conferma le nostre idee e i metodi utilizzati per studiare la struttura dell’Universo. La nostra comprensione dell’Universo, il modo con cui interpretiamo l’informazione che ci arriva dalle stelle e dalle galassie potrebbe essere diversa se l’Universo non fosse così regolare su larga scala. Da questa ricerca emerge, però, che se analizziamo la distribuzione spaziale delle galassie fino a distanze dell’ordine di 930 milioni di anni-luce si trova una situazione di omogeneità, in altre parole non sono presenti addensamenti di materia su larga scala. Insomma, da quanto ci viene fornito dai dati del progetto WiggleZ Dark Energy Survey possiamo essere sicuri, con un elevato grado di certezza, che il nostro modello di Universo su larga scala è corretto.

ArXiv: The WiggleZ Dark Energy Survey: the transition to large-scale cosmic homogeneity

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

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