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La prima mappa 3D della ‘rete cosmica’ primordiale

Un gruppo di astronomi guidati dai colleghi del Max Planck Institute for Astronomy hanno realizzato la prima mappa tridimensionale dell’Universo distante che risale ad appena 3 miliardi di anni dopo il Big Bang. La mappa, costruita a partire dai dati raccolti con i telescopi del Keck Observatory, si estende per 100 milioni di anni-luce e fornisce preziosi indizi sulle strutture galattiche che sono ‘inserite’, si fa per dire, nella cosiddetta ‘rete cosmica‘.

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La minaccia dei GRB e le ‘zone abitabili’ dell’Universo

Il 27 Dicembre 2004, una particolare stella di neutroni denominata con la sigla SGR 1806–20, situata a circa 50.000 anni-luce nella costellazione del Sagittario, produsse una intensa emissione di radiazione che si propagò fino a raggiungere la Terra al punto da interagire con la magnetosfera. L’evento fu di notevole interesse poiché gli astronomi furono testimoni per la prima volta del fatto che un oggetto situato al di fuori del Sistema Solare potesse influenzare direttamente il nostro pianeta. I gamma-ray burst (GRB), o lampi gamma, sono gli eventi più energetici che conosciamo. Nonostante il brillamento registrato da SGR 1806 -20 fosse relativamente mite, ce lo ricordiamo come un cattivo esempio dato che la vita sulla Terra è potenzialmente minacciata da eventi di inimmaginabile potenza. Ma qui arriva il punto: si ritiene che i GRB siano molto più comuni in alcune regioni dell’Universo che in altre. Ciò implica che alcune zone dello spazio cosmico siano decisamente inospitali per eventuali forme di vita. La domanda è: dove sono localizzate queste regioni e quali limiti esse pongono per un eventuale sviluppo di forme di vita? Oggi, Tsvi Piran della Hebrew University in Gerusalemme e Raul Jimenez presso la Harvard University a Cambridge hanno realizzato una serie di studi mirati a determinare quali regioni dell’Universo possano essere considerate “pericolose” a causa dei GRB. I risultati ottenuti forniscono, per la prima volta, una sorta di “mappatura delle zone abitabili” dell’intero Universo. Continua a leggere La minaccia dei GRB e le ‘zone abitabili’ dell’Universo

Che cosa illuminò il cosmo?

Che cosa produce più luce? Una città molto grande o più città minori? Certo, le città più grandi producono più luce ma è anche vero che i paesi piccoli sono più numerosi. Dunque, se capiamo come è distribuita la luminosità, allora saremo in grado di avere maggiori indizi, ad esempio, su come è strutturata una nazione. E’ quanto si stanno domandando, analogamente, gli astronomi in merito alla struttura dell’intero Universo: è possibile che la radiazione ultravioletta provenga da numerose galassie deboli o, invece, essa è correlata a un numero inferiore di quasar? Continua a leggere Che cosa illuminò il cosmo?

Le strutture cosmiche secondo il modello CDM

Un gruppo di scienziati hanno pubblicato su Nature un articolo che si riferisce al modello della materia scura “fredda” (Cold Dark Matter, CDM) da cui potrebbero emergere preziosi indizi e risposte sulla formazione delle galassie e sulla struttura su larga scala dell’Universo. Tuttavia, questi risultati sembrano contrastare i recenti dati ottenuti dal telescopio spaziale Hubble. Continua a leggere Le strutture cosmiche secondo il modello CDM

La struttura dell’Universo non spiegherebbe l’accelerazione cosmica

E’ quanto emerge da uno studio condotto da un gruppo di fisici dell’Università del Texas a Dallas che stanno tentando di capire come mai l’Universo sembra espandersi ad un ritmo accelerato, una scoperta che risale al 1998 grazie all’osservazione delle supernovae Ia distanti. Per spiegare la “accelerazione cosmica” gli astrofisici hanno avanzato nel corso degli anni alcune ipotesi e oggi una di queste sembra possa essere scartata definitivamente. Continua a leggere La struttura dell’Universo non spiegherebbe l’accelerazione cosmica

Galassie come ‘righelli cosmici’

Artwork_DarkEnergyUtilizzando le galassie come tanti “righelli cosmici”, un astronomo del Dipartimento di Astronomia di Harvard e dell’Harvard Smithsonian Center for Astrophysics sta esplorando l’Universo per studiare la struttura su larga scala e verificare alcuni modelli che tentano di spiegare la misteriosa energia scura.

Daniel Eisenstein utilizza le galassie come se fossero “righelli cosmici” allo scopo di studiare la struttura su larga scala dell’Universo e cercare di verificare quei modelli che tentano di descrivere l’energia scura, quella misteriosa forza che sembra essere responsabile dell’espansione accelerata dello spazio. Eisenstein guida il terzo progetto della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), fino al 2014, che ha lo scopo di costruire una delle mappe più dettagliate della distribuzione delle galassie nell’Universo. Eisenstein ha trovato un metodo per determinare la posizione delle galassie in modo da capire come sono distribuite nello spazio. Finora, ciò che è stato osservato è in accordo con quanto trovato negli anni ’90 e cioè che noi viviamo in un Universo che non solo si sta espandendo ma che sta anche accelerando. “Una delle chiavi di svolta per risolvere l’enigma dell’energia scura è quella di realizzare una serie di misure molto precise delle distanze cosmologiche” spiega Eisenstein. Al momento, da questo studio emerge il fatto che le galassie tendono a raggrupparsi ad una distanza ben specifica e che la distanza media di separazione tra coppie di galassie è dell’ordine di 500 milioni di anni-luce.

Harvard University: Using galaxies as yardsticks

La struttura cosmica più grande dell’Universo

Un gruppo internazionale di astronomi, guidati dai colleghi dall’Università di Lancashire (UCLan), hanno rivelato la struttura cosmica più grande mai osservata. Detta tecnicamente Large Quasar Group (LQG) si tratta di una struttura così grande che si impiegherebbe circa 4 miliardi di anni a percorrerla viaggiando con una navicella spaziale alla velocità della luce.

E’ noto che i quasar sono i nuclei di galassie appartenenti alle epoche primordiali della storia cosmica. Di tanto in tanto, essi esibiscono una intensa luminosità per brevi periodi di tempo, con intervalli di circa 10-100 milioni di anni, che li rende visibili a grandi distanze. Dal 1982, si sa che i quasar tendono a raggrupparsi formando delle strutture di dimensioni sorprendentemente enormi in termini astronomici che sono state denominate LQG. I ricercatori, guidati da Roger Clowes del UCLan’s Jeremiah Horrocks Institute, hanno identificato una struttura di questo tipo talmente enorme che sta creando una certa preoccupazione in termini del principio cosmologico: l’assunzione cioè che l’Universo, quando viene osservato su larga scala, appare mediamente uguale in tutte le direzioni. Ora, il modello cosmologico standard si basa sulla relatività generale di Einstein che dipende dal principio cosmologico, un principio che è stato assunto teoricamente ma che non è mai stato dimostrato osservativamente “al di là di ogni ragionevole dubbio”. Per dare una idea della scala di distanza, la Via Lattea dista dalla vicina Andromeda circa 0,75 Mpc (Megaparsec), che sono equivalenti a circa 2,5 milioni di anni-luce. Un intero ammasso di galassie può estendersi per circa 2-3 Mpc ma le strutture LQG possono arrivare fino a 200 Mpc o più. Secondo il principio cosmologico e l’attuale modello standard della cosmologia moderna, i calcoli suggeriscono che non esisterebbero strutture più grandi di 370 Mpc. Ma la struttura in esame scoperta di recente ha una dimensione di circa 500 Mpc e dato che è allungata essa si estende per almeno 1200 Mpc, cioè 4 miliardi di anni-luce, pari a 1600 volte maggiore della distanza che separa la Via Lattea da Andromeda. “Si tratta della struttura più grande mai osservata” dichiara Clowes. “E’ qualcosa di sorprendente e affascinante allo stesso tempo anche perché va contro le nostre concezioni sulla scala delle distanze cosmologiche”. Dunque, il passo successivo sarà quello di vedere se esistono altre strutture di queste dimensioni in modo da ottenere ulteriori indizi sulla loro formazione ed evoluzione.

RAS preprint: Astronomers discover the largest structure in the universe

arXiv: A structure in the early universe at z ~ 1.3 that exceeds the homogeneity scale of the R-W concordance cosmology

Un nuovo paradigma sull’Universo delle origini

Alcuni ricercatori della Penn State University hanno sviluppato un modello che tenta di spiegare le fasi iniziali della storia dell’Universo. Grazie a tecniche moderne che si basano sul cosiddetto modello cosmologico della teoria quantistica a loop (loop-quantum cosmology), gli scienziati hanno esteso i concetti della fisica quantistica fin quasi “all’inizio del tempo”. Questo paradigma della teoria quantistica a loop suggerisce, per la prima volta, che le strutture su larga scala che vediamo oggi come galassie o ammassi di galassie si sono originate a partire dalle fluttuazioni quantistiche iniziali emerse nello spaziotempo ed esistite sin già da quando si originò l’Universo quasi 14 miliardi di anni fa. Questi risultati forniscono nuove opportunità osservative che serviranno per verificare i vari modelli cosmologici grazie alle future missioni spaziali che vedranno impiegati i telescopi di ultima generazione.

“Noi umani da sempre cerchiamo di comprendere come si è originato il nostro Universo”,  spiega Abhay Ashtekar. “Stiamo usando il nostro paradigma per capire, in dettaglio, i processi dinamici che la materia e lo spazio subirono durante le fasi primordiali della storia cosmica, fino all’inizio di tutto”. Il paradigma quantistico fornisce un nuovo sistema concettuale e matematico al fine di descrivere la geometria esotica da cui emerse lo spaziotempo e che possiamo descrivere applicando le leggi della meccanica quantistica. Questo modello suggerisce che l’Universo era così compresso fino a raggiungere valori di densità tali che il suo comportamento non può essere descritto né dalle equazioni della relatività generale di Einstein né da una teoria ancora più fondamentale che si basa sulle strani leggi della meccanica quantistica. Si calcola che la densità della materia poteva raggiungere valori dell’ordine di 1094 grammi per centimetro cubico contro la densità di un nucleo atomico che è di 1014 grammi. Nel mondo bizzarro della meccanica quantistica, dove si parla di probabilità piuttosto che di certezza, le proprietà fisiche sono decisamente diverse da quelle del mondo a cui siamo abituati. Tra queste differenze esistono i concetti di tempo così come le proprietà dinamiche di vari sistemi che evolvono nel corso del tempo man mano che interagiscono con la struttura dello spaziotempo quantistico. Oggi, l’informazione più antica che disponiamo della storia cosmica ci viene fornita dalla radiazione cosmica di fondo e risale a quando l’Universo aveva una età di appena 380 mila anni. Da quell’epoca, dopo un periodo di rapida espansione, chiamata inflazione, l’Universo è divenuto molto più fluido rispetto alla sua versione iniziale super compressa. All’inizio della fase inflazionistica, la densità dell’Universo era un trilione di volte inferiore rispetto a quella del periodo delle origini, così che le fluttuazioni quantistiche sono molto meno importanti oggi nel determinare le proprietà dinamiche della materia e della geometria dello spaziotempo su larga scala. Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostrano che l’Universo è uniforme su larga scala, eccetto per alcune regioni dello spazio che sono più o meno dense. Il modello standard inflazionistico, che si basa sulle equazioni classiche della relatività generale, tratta lo spaziotempo come un continuo regolare. “Il modello inflazionario spiega con successo la radiazione cosmica di fondo, ma questo modello non è completo. Esso si basa sull’idea che l’Universo emerse dal nulla in seguito ad una singolarità iniziale, il Big Bang, che risulta dall’incapacità della relatività generale nel descrivere le condizioni estreme della meccanica quantistica”, spiega Ivan Agullo. “Abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità, come ad esempio la teoria quantistica a loop, per andare oltre la fisica di Einstein, al fine di catturare la vera essenza dell’origine del nostro Universo”. Alcuni lavori precedenti sulla cosmologia quantistica a loop eseguiti dal gruppo di Ashtekar hanno modificato, per così dire, il concetto del Big Bang con l’idea del Big Bounce in base alla quale l’Universo non emerse dal nulla bensì da materia super compressa che sarebbe già esistita ancora prima. Dunque, anche se le condizioni della meccanica quantistica all’inizio del tempo furono estremamente differenti da quelle descritte dalla fisica classica dopo l’inflazione, il nuovo paradigma introdotto dai fisici della Penn State University permette di rivelare una connessione sorprendente tra i due modelli che tentano di descrivere queste fasi primordiali. Nel momento in cui gli scienziati utilizzano il modello dell’inflazione applicando le equazioni di Einstein per descrivere l’evoluzione dell’Universo, essi trovano che le irregolarità diventano quei “siti cosmici” da cui sono emersi gli ammassi di galassie e le strutture su larga scala che osserviamo oggi. Ma in maniera quasi spettacolare si trova che utilizzando il modello cosmologico quantistico a loop, con le sue relative equazioni, le fluttuazioni fondamentali nel momento del Big Bounce evolvono per divenire, nel corso del tempo, ancora quei siti cosmici che si osservano nella radiazione cosmica di fondo. Insomma, i dati dei ricercatori della Penn State suggeriscono che le condizioni iniziali relative alle fasi primordiali dell’Universo portano in maniera naturale alla nascita delle strutture su larga scala che osserviamo oggi. In questo modo, i ricercatori possono descrivere l’origine delle strutture cosmiche del nostro Universo dall’epoca inflazionaria al Big Bounce, coprendo circa 11 ordini di grandezza in termini di densità di materia e della curvatura dello spaziotempo. In altre parole, si definiscono meglio quelle condizioni iniziali che sarebbero esistite durante l’origine dell’Universo che hanno portato successivamente alla formazione delle strutture cosmologiche in accordo con i dati sulla radiazione cosmica di fondo.

[Press release: The Beginning of Everything: A New Paradigm Shift for the Infant Universe]

arXiv 1: An Extension of the Quantum Theory of Cosmological Perturbations to the Planck Era

arXiv 2: A Quantum Gravity Extension of the Inflationary Scenario

arXiv 3: Perturbations in loop quantum cosmology

arXiv 4: Probability of Inflation in Loop Quantum Cosmology

arXiv 5: The Big Bang and the Quantum

L’Universo, il cervello umano e internet: esistono delle similitudini?

Secondo uno studio recente pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Scientific Reports, la struttura dell’Universo e le sue leggi fisiche che lo governano potrebbero essere molto simili a quelle del nostro cervello e a quelle che caratterizzano internet o i social network.

“Certamente non stiamo affermando che l’intero Universo è una sorta di gigantesco cervello o computer” spiega Dmitri Krioukov del Cooperative Association for Internet Data Analysis (CAIDA), presso il San Diego Supercomputer Center (SDSC) dell’Università della California a San Diego. “Tuttavia, la recente scoperta sul fatto che esiste una forte equivalenza tra la struttura dell’Universo e le reti complesse, come internet o i social network, suggerisce sorprendentemente che possano esistere leggi fisiche simili che governano i processi dinamici di questi sistemi molto complessi”. Le similitudini al livello strutturale e dinamico che sono alla base di reti molto diverse tra loro sembrano indicare che esistono delle leggi universali anche se ci sfugge al momento quale possa essere la loro origine e natura. Oggi, grazie ad una serie di complicate simulazioni numeriche, un gruppo di ricercatori hanno dimostrato che la rete cosmica, che rappresenta la struttura su larga scala dell’Universo e che evolve man mano che lo spazio si espande accelerando, mostra delle forti somiglianze rispetto ai network più complessi, come internet, appunto, o addirittura i sistemi biologici. “Questi risultati hanno implicazioni fondamentali sia per i network scientifici ma anche per la cosmologia in generale” commenta Krioukov. “Abbiamo scoperto che l’evoluzione dinamica su larga scala relativa alle reti più complesse e alle reti casuali diventano asintoticamente simili e questo dimostra la somiglianza che esiste tra queste reti”. Insomma, chi l’avrebbe mai detto che l’evoluzione dello spaziotempo quadridimensionale dal vuoto quantistico avesse a che fare con la struttura di internet? Ora, se immaginiamo per un attimo la struttura dell’Universo, essa ci appare astronomicamente grande, se non addirittura infinita. Ma anche se fosse finita, si calcola che essa non sia più piccola di 10250 atomi di spazio e tempo, cioè 1 seguito da 250 zeri! Per fare un confronto, si stima che il numero delle molecole dell’acqua presenti negli oceani di tutto il mondo sia almeno di 4,4 X 1046. Per lavorare a questa struttura immane, i ricercatori hanno trovato un modo per scalare le sue dimensioni, mantenendo comunque inalterate le proprietà fisiche e dimostrando matematicamente che queste proprietà non dipendono dalle dimensioni della struttura scelta in un determinato intervallo di parametri, come la curvatura e l’età dell’Universo. Una volta ottenute le dimensioni scalate, i ricercatori hanno realizzato una serie di simulazioni della struttura casuale dell’Universo utilizzando Trestles, uno dei super computer più potenti del SDSC. Dopo aver ottimizzato l’applicazione, Robert Sinkovits è stato in grado di completare il calcolo numerico in appena più di un giorno rispetto al tempo di calcolo previsto originariamente dal progetto e cioè tre o quattro anni. Non solo, ma i risultati sono stati in perfetto accordo con la teoria. Ora, però, ci si chiede se questa equivalenza asintotica possa essere frutto di una coincidenza o meno. “Potrebbe essere”, dice Krioukov, “ma la probabilità che esista una tale coincidenza è estremamente bassa. In fisica, le coincidenze sono estremamente rare e non succedono quasi mai. C’è sempre una spiegazione che non potrebbe essere ovvia al momento”. Forse, questa spiegazione potrebbe un giorno portare alla scoperta di leggi fondamentali comuni e universali di cui due diverse conseguenze sono le leggi della gravità, che descrivono la struttura su larga scala dell’Universo, e leggi ancora sconosciute che descrivono, invece, i processi dinamici dei sistemi complessi.

Science article: Network Cosmology

Il nostro Universo potrebbe essere una simulazione al computer

Siamo tutti immersi in una simulazione numerica come nel famoso film Matrix? Davvero il nostro Universo è una simulazione generata da un computer dietro al quale si nasconde una mente diabolica artificiale che ci sta usando? Di solito i film o i libri di fantascienza si basano su questo concetto per cui nulla è reale. Ma questa idea è antica e risale addirittura a Platone e venne perseguita da Cartesio alcuni secoli dopo, anche se nessuno finora ha presentato prove concrete che questa ipotesi sia effettivamente possibile. Oggi, però, un gruppo di ricercatori dell’Università di Bonn hanno pubblicato i risultati di uno studio che fornisce un metodo attraverso il quale sarebbe possibile eseguire un test per verificare il fatto che l’Universo in cui viviamo è effettivamente una simulazione numerica.

Alcune simulazioni numeriche che descrivono la struttura su larga scala dell’Universo secondo i modelli cosmologici attuali.

Chiedersi se siamo consapevoli del mondo che ci circonda è un dilemma che è stato da sempre posto da filosofi e pensatori. Una prima argomentazione venne trattata nel dialogo Repubblica dove Platone spiegava, attraverso l’allegoria della caverna, l’esistenza ideale dell’uomo che non pensa. Platone, che viene considerato il padre della filosofia occidentale, riteneva invece che l’unico modo di comprendere il mondo reale dovesse passare attraverso la matematica e la geometria da cui gli studenti avrebbero potuto derivare indizi fondamentali sui processi fisici della natura. Alcuni secoli dopo, il filosofo francese Cartesio, a cui spesso vengono attribuiti gli studi sulla metafisica, sollevò di nuovo il problema del cosiddetto “esperimento mentale” che doveva far sì che i suoi lettori assumessero una posizione radicale contro ogni dubbio. Portando l’esempio di un demone che tiene in trappola gli uomini in un mondo virtuale, Cartesio chiedeva ai lettori di considerare tutte le loro esperienze sensoriali che li portassero verso la ricerca di una certa premessa. Egli è famoso per la sua frase “cogito ergo sum”, cioè io penso dunque sono, punto di partenza per costruire un quadro della realtà. In seguito, alcuni critici sostennero che l’esistenza di pensieri non implica necessariamente che esista un pensatore.

Alcune simulazioni numeriche che descrivono la struttura dello spazio tridimensionale a forma di lattice applicando le leggi della cromodinamica quantistica.

L’idea dei ricercatori tedeschi, guidati dal professor Silas Beane, deriva dai calcoli numerici che vengono già realizzati per descrivere la struttura su larga scala dell’Universo, almeno come noi lo comprendiamo. In generale, queste simulazioni si basano su modelli tridimensionali per mezzo dei quali si creano delle strutture a forma di lattice per tener conto delle distanze relative tra gli oggetti virtuali e per descrivere la loro evoluzione in funzione del tempo. Ma i ricercatori tedeschi suggeriscono, invece, che una struttura a forma di lattice può essere ricostruita anche a partire dal mondo delle particelle elementari applicando cioè le leggi della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive le forze nucleari a livello subatomico. In altre parole, gli scienziati ritengono che simulare le leggi della fisica a questi livelli fondamentali sia equivalente, più o meno, a riprodurre quei processi fisici che avvengono su scale cosmologiche. Tuttavia, applicare le equazioni matematiche a queste dimensioni estremamente piccole è alquanto complicato e nonostante vengano utilizzati super computer molto potenti i ricercatori devono simulare regioni di spazio su scale dell’ordine del femtometro (1 femtometro = 10-15 metri) o del quadrilionesimo di metro. Il problema principale con queste simulazioni consiste nel fatto che le leggi della fisica devono essere ‘adattate’ ad una struttura discreta tridimensionale a forma di lattice che evolve nel tempo. E da qui che deriva la proposta dei ricercatori tedeschi. Per provare il fatto che viviamo in un mondo virtuale dobbiamo trovare delle evidenze di una sottostruttura a forma di lattice andando a determinare i suoi punti finali o estremi. Infatti, se veramente vivessimo in una realtà virtuale, questa struttura a forma di lattice dovrebbe implicare, per sua natura, un limite alla quantità di energia associata alle particelle dato che nulla può essere più piccolo della struttura stessa del lattice. In altre parole, se il nostro Universo fosse una simulazione numerica allora ci deve essere un modo per misurare lo spettro di energia delle particelle determinando il punto di variazione (cut off) quando l’energia viene dispersa a causa delle interazioni con la radiazione cosmica di fondo. Ora, questo punto di cut off esiste nello spettro di energia dei raggi cosmici ed è noto come limite di Greisen–Zatsepin–Kuzmin (effetto GZK). Questo calo nella distribuzione dell’energia dei raggi cosmici è ben studiato e si ha quando le particelle energetiche interagendo con la radiazione cosmica di fondo perdono energia man mano che percorrono lunghe distanze cosmologiche. I ricercatori calcolano che la struttura spaziale del lattice causa un ulteriore ‘segnale caratteristico’ nello spettro di energia, in altre parole i raggi cosmici ‘preferiscono’ viaggiare lungo gli assi del lattice. Ma allora ciò vuol dire che non osserveremmo i raggi cosmici in maniera uguale da ogni direzione del cielo. Insomma, i ricercatori stanno oggi cercando di svelare alcuni segreti che si celano nell’Universo dato che non tutto sembra come appare. Comunque sia, l’ipotesi che il nostro Universo potrebbe rivelarsi una simulazione risulta molto affascinante ma allo stesso tempo potrebbe essere limitata dalla nostra comprensione dei concetti fondamentali della cromodinamica quantistica.

ArXiv: Constraints on the Universe as a Numerical Simulation