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

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

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

ArXiv: The Optimal Cosmic Epoch for Precision Cosmology

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I supercomputer ricostruiscono la struttura dell’Universo

Sebbene siano state fatte tante scoperte che riguardano la storia dell’Universo negli ultimi 13,7 miliardi di anni tuttavia molti misteri rimangono ancora senza risposte. Ad esempio, non sappiamo cosa è successo esattamente durante il Big Bang o quali sono stati i processi fisiciche hanno portato alla formazione delle strutture che vediamo oggi come stelle, galassie o ammassi di galassie. Oggi però gli astronomi hanno a disposizione i cosiddetti supercomputer mediante i quali è possibile costruire modelli sofisticati che sono in grado di simulare la nascita e l’evoluzione dell’Universo.

Simulazioni al computer del processo di re-ionizzazione cosmica (a sinistra) e della formazione di un ammasso di galassie (a destra).
Credit: LCA.

Daniel Reynolds, professore di matematica al Southern Methodist University, ha collaborato con gli astrofisici dell’Università della California, a San Diego, per elaborare un modello relativo alla fase di reionizzazione cosmica nell’epoca che va dai 380.000 a 400.000 anni dopo il Big Bang. Si tratta di un modello matematico che ricostruisce gli eventi della cosiddetta “età scura” quando cioè si formarono le prime stelle e apparì la prima luce. “Il modello matematico riproduce una serie di processi fisici che furono presenti durante la fase cosmica della re-ionizzazione, come il moto del gas, il trasporto della radiazione, la cinematica degli elementi chimici, la formazione stellare“, dice Reynolds. “Inoltre dobbiamo sottolineare che le simulazioni sono estremamente accurate e numericamente stabili“.

Di solito le simulazioni consistono di un insieme complesso di equazioni matematiche che cercano di rappresentare i processi fisici. Solo i supercomputer possono risolvere simultaneamente le equazioni. L’intuizione scientifica e la creatività entrano in gioco sviluppando il modello base, applicando alle equazioni i parametri più adatti, mentre le variabili possono essere modificate di volta in volta per descrivere scenari diversi. L’obiettivo, dunque, è quello di ottenere un modello i cui risultati siano molto vicini alle osservazioni e ci permettano di fare delle previsioni che siano possibilmente vicini alla realtà. Se questo succede allora potremo dire di aver descritto quei processi fisici che sono esistiti durante la fasi iniziali della storia dell’Universo.