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Osservare lì dove non c’è nulla

Molte informazioni potrebbero essere contenute nei vuoti cosmici. È quanto emerge da uno studio pubblicato su Physical Review Letters in cui un gruppo internazionale di astronomi presenta nuove strategie di ricerca per esplorare il comportamento della gravità e la natura dell’energia scura. Continua a leggere Osservare lì dove non c’è nulla

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Il più grande ‘anello’ di GRB: reale o effetto di proiezione?

Un team di astronomi ungheresi e americani ha trovato ciò che sembra essere la “struttura più grande” dell’Universo osservabile: un anello di ben 9 lampi gamma, e quindi di galassie, che si estende per 5 miliardi di anni luce. Gli scienziati, guidati da Lajos Balazs del Konkoly Observatory a Budapest, descrivono i loro risultati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Continua a leggere Il più grande ‘anello’ di GRB: reale o effetto di proiezione?

Una singola formula per descrivere gli spazi vuoti

Un gruppo di tre fisici affiliati a università americane e francesi hanno realizzato una simulazione numerica delle strutture a forma di bolle che fornisce nuovi indizi sulla variazione della densità della materia scura su larga scala. Nel loro articolo, apparso su Physical Review Letters, gli scienziati descrivono come le simulazioni mostrino che tali vuoti hanno varie forme e dimensioni e che le densità più elevate sono confinate in determinate aree. Continua a leggere Una singola formula per descrivere gli spazi vuoti

L’ipotesi delle ‘bolle cosmiche’ secondo George Ellis

Una delle priorità della moderna cosmologia è lo studio dell’energia scura, quella misteriosa forza che sta determinando una espansione accelerata dell’Universo e di cui gli astronomi ignorano ancora la sua natura. Sebbene siano state avanzate varie ipotesi sulla sua origine, di recente il cosmologo George Ellis, dell’Università di Cape Town, ha proposto uno scenario alternativo secondo il quale l’energia scura sarebbe solo un falso effetto dovuto semplicemente alla nostra speciale posizione che occupiamo all’interno di un gigantesco vuoto cosmico, detto anche ‘bolla cosmica’.

Cominciamo prima a vedere le varie ipotesi che sono state avanzate sull’energia scura. La prima risale al 1917 quando Albert Einstein, per evitare il collasso gravitazionale del suo Universo, aveva introdotto nelle equazioni della relatività generale una proprietà dello spazio aggiungendo un termine, chiamato costante cosmologica, che avrebbe stabilizzato l’effetto della gravità mediante l’azione di una forza repulsiva, una sorta di forza antigravitazionale, che agisse su larga scala permeando tutto lo spazio cosmico. Una seconda ipotesi deriva dalla natura quantistica dello spazio quando consideriamo le scale subatomiche. Qui gli effetti quantistici diventano significativi e può succedere che coppie virtuali di particelle-antiparticelle emergano spontaneamente dal vuoto, esistono per un brevissimo intervallo di tempo e poi scompaiono rapidamente. Questo ci dice che lo spazio vuoto non è effettivamente vuoto. Ora, dato che queste particelle virtuali possono riempire lo spazio con una quantità di energia diversa da zero, si è trovato che tutte le misure e le stime della quantità di energia dello spazio vuoto portano a valori decisamente assurdi che vanno da 55 a 120 ordini di grandezza maggiori dell’energia associata a tutta la materia e alla radiazione presenti nell’Universo osservabile. Ciò implica che se l’energia del vuoto avesse realmente quei valori, tutta la materia presente nell’Universo si disperderebbe istantaneamente. Quale effetto avrebbe una tale costante cosmologica? Se veramente il valore della costante cosmologica fosse davvero grande come previsto dalla teoria dei quanti, lo spazio si espanderebbe così rapidamente che la luce dovuta, ad esempio, ai fotoni che provengono dalla mano non raggiungerebbe mai i nostri occhi. Insomma, una accelerazione di proporzioni epiche potrebbe distruggere qualsiasi cosa, dagli atomi alle galassie, e la fine dell’Universo sarebbe quella di un colossale Big Rip. Un terzo aspetto è stato analizzato da Paul Dirac. Egli riteneva che certe quantità fisiche avrebbero potuto variare con il passare del tempo ed essere perciò o troppo grandi o troppo piccole se misurate oggi. La costante cosmologica potrebbe essere un esempio di questa variabilità temporale, in altre parole potrebbe non essere una costante. Per descrivere questa forma di energia variabile nel tempo, Robert CaldwellRahul Dave Paul Steinhardt hanno introdotto il termine quintessenza, ossia “quinto elemento” dall’idea che avevano gli antichi filosofi greci secondo i quali l’Universo era composto da quattro elementi, aria, acqua, terra e fuoco, più una sostanza effimera che impediva alla Luna e ai pianeti di cadere al centro della sfera celeste. Ma per i cosmologi moderni, il termine quintessenza si riferisce ad un campo quantistico dinamico che causa una repulsione gravitazionale. Secondo questa ipotesi, la costante cosmologica evolve nel tempo e si aggiusta, per così dire, fino ad assumere il valore che possiede oggi, determinando una sorta di “stiramento” dello spaziotempo, come quando un elastico viene appunto tirato, e un aumento di volume dello spazio causando una accelerazione all’espansione dell’Universo che prevale quindi a discapito del campo gravitazionale dovuto alla materia. Ma forse l’energia scura non esiste affatto e quello che misuriamo è solo un effetto locale dovuto al fatto che la nostra posizione nella Galassia si trova in una regione particolare dello spazio. E’ ciò che ha proposto George Ellis secondo il quale ci troviamo in una sorta di “bolla cosmica”, ossia un gigantesco vuoto cosmico dove la densità di materia ivi presente è mediamente inferiore rispetto allo spazio circostante. Ora dato che l’Universo si espande in funzione della quantità di materia che, a sua volta, determina un effetto di attrazione gravitazionale frenando l’espansione dello spazio, si ha che più è vuota una regione dello spazio e meno materia esso contiene per rallentare l’espansione. Dunque il tasso di espansione locale dell’Universo diventerà maggiore che altrove e diminuirà in prossimità dei bordi della bolla dove gli effetti della densità di materia diventano più significativi. Quindi, certe regioni dello spazio si espanderanno con velocità diverse così come succede ai palloncini delle feste che non si gonfiano in maniera uniforme. Sebbene questa ipotesi sia alquanto intrigante, tuttavia alcuni scienziati sembrano scettici in merito all’esistenza di giganteschi vuoti cosmici poiché non si spiegherebbe, per esempio, l’uniformità della radiazione cosmica di fondo per non parlare poi della distribuzione apparentemente uniforme delle galassie. Nel primo caso, affinché la radiazione cosmica sia compatibile con la presenza di una regione vuota, dovremmo assumere un vuoto cosmico sferico e con la Terra al suo centro. Nel secondo caso, invece, le osservazioni con gli attuali strumenti non sono abbastanza profonde da confermare, definitivamente o meno, l’esistenza di un vuoto di dimensioni tali da produrre gli effetti attribuiti all’energia scura. Dunque si spera che i prossimi dati del satellite Planck ci forniranno dei limiti più forti sull’anisotropia della radiazione cosmica di fondo che serviranno per verificare l’esistenza di eventuali bolle cosmiche.

Maggiori info: Idee sull’Universo

Energia scura, il telescopio spaziale Hubble esclude l’ipotesi dei ‘vuoti cosmici’

Credit: NASA/HST

Grazie agli ultimi dati ottenuti con il telescopio spaziale Hubble, gli astronomi hanno determinato ancora una volta il tasso di espansione dell’Universo con un livello di precisione senza precedenti escludendo così una delle ipotesi alternative che tentano di spiegare la natura dell’energia scura.

L’Universo si espande ad un ritmo vertiginoso. Si ritiene che ciò sia causato dalla presenza di una misteriosa forma di energia, denominata energia scura, che si oppone agli effetti di natura attrattiva dovuti alla gravità. Una delle ipotesi alternative suggerisce che la Via Lattea si trovi all’interno di una gigantesca “bolla cosmica” che si estende per circa 8 miliardi di anni-luce all’interno della quale lo spazio è relativamente vuoto. Se assumiamo di vivere in prossimità del centro di questo vuoto allora noteremo che le galassie si allontanano con velocità estremamente elevate ma solo per un effetto di pura illusione. Secondo questo modello, la “bolla” che è caratterizzata da una densità molto bassa, si espanderebbe più velocemente rispetto allo spazio circostante simulando perciò gli effetti dell’energia scura. Ma questa ipotesi richiede che il tasso di espansione dello spazio sia molto più piccolo di quanto misurato, cioè dell’ordine di 60-65 Km/sec/Mpc, andando così in contrasto con i nuovi dati ottenuti dal telescopio spaziale Hubble. Non solo, ma l’ipotesi della “bolla cosmica” implica che ci troviamo quasi al centro dello spazio vuoto e la probabilità che sia così è dell’ordine di una su un milione. Dunque, questa ipotesi è stata scartata dai nuovi dati ottenuti da Adam Riess, dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University, a Baltimore, che ha condotto le osservazioni guidando il gruppo SHOES (Supernova Ho for the Equation of State) al fine di rideterminare con maggiore precisione la costante di Hubble e caratterizzare meglio le proprietà dell’energia scura. I risultati delle osservazioni hanno permesso di raggiungere un livello di precisione senza precedenti, dell’ordine del 3,3 percento, sul tasso di espansione dell’Universo ottenendo così un valore della costante di Hubble di 73,8 Km/sec/Mpc. Determinare perciò con elevata precisione il valore del tasso di espansione dell’Universo permette di porre dei limiti stringenti agli effetti dell’energia scura e scartare ipotesi alternative che tentano di spiegare la sua natura.