Le leggi fisiche che regolano l’universo dovrebbero essere ben definite ed immutabili, almeno secondo quella che attualmente la teoria più accettata, ovvero il Modello Cosmologico Standard.
Gli scienziati operano supponendo che ci siano leggi universali della fisica che influenzano la materia allo stesso modo ovunque, dal nostro vicinato solare alle galassie a miliardi di anni luce di distanza. In altre parole, mentre ci sono ovviamente variazioni nella densità e nelle distribuzioni della materia attraverso lo spazio, gli scienziati presumono che su larga scala l’universo sia statisticamente omogeneo.
Il modello cosmologico standard ha ottenuto finora numerose conferme dalle osservazioni astronomiche e l’universo isotropo che ne deriva aiuta a spiegare fenomeni cruciali come l’omogeneità dello sfondo cosmico a microonde, la luce più antica dell’universo, nonché l’apparente espansione dell’universo a un ritmo uniforme.
Le domande che si pongono gli scienziati possono essere riassunte in queste due: “Le leggi della fisica sono le stesse ovunque? O c’è una posizione preferita nell’universo?”.
Mentre la maggior parte delle prove suggerisce che l’universo sta giocando in modo equo, ci sono anche molte anomalie cosmiche che sembrano contrastare con il principio cosmologico. Proprio negli ultimi mesi, ad esempio, due team di fisici hanno pubblicato osservazioni completamente diverse sulle anomalie nell’universo che suggeriscono potenziali variazioni delle leggi e delle forze fondamentali.
Ancora più strana, questa nuova ricerca rafforza gli studi passati che delineano una “direzionalità” in queste variazioni.
In altre parole, viene evocato un possibile modello dell’universo in cui le leggi fisiche si spostano in determinate direzioni come se fossero su un misterioso gradiente cosmico. Questi risultati non corrispondono ad altri test di isotropia, o all’omogeneità dell’universo, che suggeriscono che l’universo non abbia una direzione preferita.
Risultati contrastanti non significano che dobbiamo buttare via il principio cosmologico, poiché saranno necessarie moltissime prove per rivedere la fisica consolidata.
Intanto, però, alcuni nuovi studi documentano fenomeni, sia su scala “locale” che estremamente distanti, che sono attualmente inspiegabili e che sfidano le nostre aspettative fondamentali sul comportamento dell’universo.
La costante incostante
In natura esistono quattro forze fondamentali conosciute: gravitazione, elettromagnetismo e interazioni nucleari deboli e forti. Il principio cosmologico suggerisce che queste forze influenzano la materia allo stesso modo in tutto l’universo, motivo per cui gli oggetti visibili, come stelle e galassie, si comportano allo stesso modo in qualunque punto dell’universo.
Guardando un po’ più da vicino, però, possono apparire stranezze nelle costanti fisiche. Ad esempio, la forza della forza elettromagnetica viene calcolata con un valore noto come costante di struttura fine. Questa costante è matematicamente impalcata a valori immutabili come la costante di Planck e la velocità della luce.
Se l’universo fosse veramente isotropo, la costante di struttura fine (come tutte le costanti) dovrebbe essere immutabile.
Ma, nell’ultimo decennio, gli scienziati hanno misurato questa costante in parti lontane dell’universo e hanno trovato prove che in alcuni posti potrebbe fluttuare.
Questa tendenza sconcertante ha raggiunto una nuova pietra miliare con “le misurazioni dirette più distanti della [costante della struttura fine] fino ad oggi“, da un’antica galassia “quasar” che si trova a 13 miliardi di anni luce di distanza, che sono riportati in uno studio pubblicato su Science Advances.
Sebbene gli scienziati abbiano usato per anni la luce di determinati oggetti cosmici per testare la costante della struttura fine, il nuovo documento estende la portata di queste misurazioni all’universo primordiale, appena un miliardo di anni dopo il Big Bang.
“Siamo andati più lontano che mai“, ha spiegato il coautore John Webb, un cosmologo dell’Università del New South Wales a Sydney.
“In termini di distanza, siamo andati a una distanza maggiore di quanto non sia stato fatto in precedenza con qualsiasi misurazione diretta della forza elettromagnetica nell’universo primordiale“.
Il team è stato in grado di compiere questa impresa con uno spettrografo chiamato X-SHOOTER installato sul Very Large Telescope (VLT) in Cile. La capacità visiva dello strumento nella parte del vicino infrarosso dello spettro ha permesso a Webb e ai suoi colleghi di scrutare gli oggetti ai “redshift” più alti.
Utilizzando X-SHOOTER, il team ha studiato la luce di un quasar distante 13 miliardi di anni, un tipo di nucleo galattico super luminoso, chiamato J1120 + 0641.
Sulla sua strada per la Terra, questa antica luce è stata filtrata da quattro nuvole di gas. Webb e i suoi colleghi hanno usato i modelli spettrali della luce, filtrata da queste nuvole, per calcolare il valore della costante di struttura fine.
Tali osservazioni non hanno rivelato variazioni della costante nel tempo. Ma quando i ricercatori hanno confrontato il loro studio con la più grande rete di punti dati raccolti nelle ricerche passate, hanno scoperto che corrispondeva ai precedenti segni di possibili variazioni lungo un asse spaziale: misurazioni più forti venivano dalla direzione rivolta verso il centro galattico della Via Lattea e misurazioni più deboli sono state trovate nella direzione opposta.
Questo evoca un modello di un universo a “dipolo”, che potrebbe avere qualcosa che assomiglia a un polo nord e sud.
“L’affascinante situazione scientifica è che ci sono tutti questi strani effetti, accenni di anisotropia e direzionalità nell’universo, e molti di essi si allineano nel cielo“, ha detto Webb.
“Forse c’è una sorta di relazione tra queste cose che non comprendiamo ancora del tutto, ed è interessante notare questo allineamento“.
“Se questo è solo un insieme di coincidenze cosmiche o se ci dovrebbe dire qualcosa di significativo sulla fisica fondamentale e l’origine e l’evoluzione dell’universo resta davvero da vedere“, ha detto Webb.
“Al momento, possiamo solo effettuare le misurazioni migliori che possiamo e cercare di comprendere le incertezze nelle misurazioni nel miglior modo possibile“.
“Ecco cosa facciamo: cerchiamo di essere certi che non ci stiamo prendendo in giro con qualcosa e continuiamo a pubblicare risultati per vedere alla fine cosa emerge“, ha osservato.
Anomalie dei raggi X
Un altro studio pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics, ha riportato inquietanti anomalie anche nella luce a raggi X emessa da ammassi di galassie.
Secondo quanto riporta lo studio, i fisici guidati da Konstantinos Migkas, un ricercatore di dottorato all’Università di Bonn in Germania, hanno sviluppato una nuova tecnica per “investigare il comportamento direzionale” dei raggi X emessi dal gas caldo che circonda i cluster di galassie. Le loro scoperte si allineano ad alcuni dei risultati di altri ricercatori, indicando possibili ulteriori punti critici del principio cosmologico.
“I cluster di galassie non sono mai stati usati prima per un tale studio“, ha spiegato Migkas “e sono ora un nuovo e simpatico strumento per studiare il principio cosmologico“.
“Abbiamo avuto l’idea di provare un metodo indipendente per testare ciò che altre persone hanno testato“, ha continuato. “E questo ci ha dato risultati sorprendenti con prove molto forti”.
I cluster di galassie sono le più grandi strutture legate alla gravità dell’universo e contengono centinaia o addirittura migliaia di singole galassie. Quando la luce proveniente da questi ammassi si dirige verso la Terra, viene distesa dall’espansione dell’universo, in modo che ammassi più distanti appaiono spostati in gruppi più distanti.
Migkas e i suoi colleghi hanno calcolato la luminosità dei raggi X emessi dai gas in questi cluster usando due metodi: uno derivato dalla temperatura stimata del gas, un valore che non è influenzato dall’espansione dell’universo e un altro metodo che tiene conto dell’espansione dell’universo.
Incredibilmente, i risultati di questi due test non sempre coincidevano: i cluster in una direzione specifica erano sistematicamente più deboli del previsto e i cluster in un’altra direzione erano sistematicamente più luminosi del previsto.
Ancora più strano, le direzioni di queste luminosità ai raggi X corrispondono approssimativamente ai modelli identificati da un’altra squadra che ha cercato potenziali anisotropie cosmiche, che sono state pubblicate in Astronomy & Astrophysic nel 2019.
Tuttavia, i cluster non sembrano più luminosi o più deboli lungo lo stesso Asse dipolare a 180 gradi che è stato descritto dal team di Webb: Invece, l’angolo sembra essere più vicino a 120 gradi.
In questo modo, vari modelli di potenziale direzionalità o anisotropia dell’universo, basati su dati osservativi, si sovrappongono e sono in conflitto tra loro, oltre a scontrarsi con altri studi che supportano il modello di isotropia cosmica su larga scala.
L’universo è un’entità estremamente complicata, dopo tutto, e gli umani sviluppano costantemente tecnologie emergenti che rivelano nuovi strati delle sue bizzarre complessità.
A quel punto, Migkas e i suoi colleghi hanno presentato diverse altre spiegazioni per i loro strani risultati. Hanno suggerito che le forze gravitazionali vicino agli ammassi di galassie potrebbero deformare la luce o che la luce potrebbe essere distorta dalle nuvole di gas all’interno della nostra Via Lattea (o una combinazione di questi fattori).
“La direzione più luminosa è sospettosamente vicina al centro galattico“, ha detto Migkas. “Se dovessi scommettere, direi che la regione luminosa è il risultato di alcuni problemi di raggi X sconosciuti che non abbiamo ancora scoperto nella nostra galassia“.
“L’altra direzione, quella debole, in realtà corrisponde alla direzione che altri ricercatori hanno trovato in passato, usando metodi totalmente indipendenti“, ha osservato.
Materia oscura e nuova fisica
Naturalmente, è anche possibile che queste osservazioni rappresentino davvero l’inizio di una “nuova fisica” che stravolgerà il principio cosmologico.
Una spiegazione speculativa in tal senso è che l’energia oscura, la forza misteriosa che spinge l’espansione dell’universo, potrebbe applicare in modo diseguale la sua influenza nello spazio.
“L’energia oscura potrebbe formare, ad esempio, grumi, come la materia normale o la materia oscura“, ha detto Migkas.
“Fino ad ora abbiamo pensato che questo è un campo di energia uniforme e costante, ma potrebbe benissimo essere un materiale che forma ammassi o strutture“.
“Una distribuzione irregolare di questo materiale su un lato dell’universo o sull’altro lato provocherebbe una tale anisotropia“, ha aggiunto.
Mentre il team di Webb ha rilevato potenziali anomalie a grandi distanze e tempi di osservazione, le osservazioni registrate da Migkas e dai suoi colleghi provengono da ammassi di galassie entro circa quattro miliardi di anni luce dalla Terra.
Questa è ancora una distanza enorme, certo, ma rappresenta un’era più moderna nella storia cosmica, quella in cui l’energia oscura ha avuto un impatto maggiore rispetto ai primi anni dell’universo.
“Se ciò accade principalmente a basse distanze, potrebbe avere qualcosa a che fare con l’energia oscura perché l’energia oscura non svolge un ruolo molto forte a distanze più elevate“, ha detto Migkas.
“E non sappiamo nulla dell’energia oscura. Non conosciamo la sua natura, non conosciamo il suo comportamento, quindi possiamo fare solo ipotesi sull’energia oscura. Nessuno forza l’energia oscura ad essere isotropa, quindi potrebbe avere qualcosa a che fare con questo, se è un fenomeno cosmologico”.
Come per gli altri risultati, queste strane anisotropie e la potenziale direzionalità dell’universo dovranno essere valutate man mano che verranno raccolti più dati.
“I ricercatori cercheranno di concentrarsi su spiegazioni alternative prima di cambiare il modello cosmologico, e questa è la cosa giusta da fare“.
Man mano che i nostri strumenti di osservazione diventeranno sempre più sofisticati, è probabile che emergeranno una complessa serie di prove da fonti diverse che supporteranno modelli di isotropia cosmica, anisotropia cosmica o forse anche più strane permutazioni dell’universo.
“Abbiamo questo modello standard e stiamo cercando piccole crepe in esso che potrebbero, se le prendiamo in considerazione, rivelare una struttura più ricca o una teoria più affidabile“.
