Un articolo pubblicato sulla rivista Nature Astronomy sostiene che l’universo può curvarsi e chiudersi su se stesso come una sfera, piuttosto che giacere piatto come un foglio di carta come prevede il modello standard della cosmologia.
Gli autori hanno rianalizzato un importante set di dati cosmologici e hanno concluso che i dati favoriscono un universo chiuso con una certezza del 99%, anche se altre prove suggeriscono che l’universo è piatto.
I dati in questione – le osservazioni del telescopio spaziale Planck del fondo cosmico a microonde (CMB) – “puntano chiaramente verso un modello chiuso“, ha affermato Alessandro Melchiorri dell’Università La Sapienza di Roma.
È coautore del nuovo articolo con Eleonora di Valentino dell’Università di Manchester e Joseph Silk, principalmente dell’Università di Oxford. A loro avviso, la discordanza tra i dati CMB, che suggerisce che l’universo è chiuso, e altri dati che puntano alla piattezza rappresenta una “crisi cosmologica” che richiede un “drastico ripensamento“.
Tuttavia, il team di scienziati dietro il telescopio Planck ha raggiunto conclusioni diverse nella loro analisi del 2018. Antony Lewis, un cosmologo dell’Università del Sussex e membro del team che ha lavorato a quell’analisi, ha detto che la spiegazione più semplice per la caratteristica specifica nei dati CMB che di Valentino, Melchiorri e Silk hanno interpretato come prova di un universo chiuso” è che si tratta solo di un colpo di fortuna statistico“.
Lewis e altri esperti affermano di aver già esaminato attentamente il problema, insieme ai relativi enigmi nei dati.
“Non c’è dubbio che questi sintomi esistano a un certo livello“, ha commentato Graeme Addison, un cosmologo della Johns Hopkins University che non è stato coinvolto nell’analisi di Planck o nella nuova ricerca. “C’è solo disaccordo sull’interpretazione“.
Il fatto che l’universo sia piatto, ovvero se due raggi di luce sparati uno accanto all’altro attraverso lo spazio rimarranno paralleli per sempre, piuttosto che incrociarsi e oscillare di nuovo intorno al punto di partenza, come in un universo chiuso, dipende in modo critico dalla densità dell’universo.
Se tutta la materia e l’energia nell’universo, inclusa la materia oscura e l’energia oscura, si sommano esattamente alla concentrazione alla quale l’energia dell’espansione verso l’esterno bilancia l’energia dell’attrazione gravitazionale verso l’interno, lo spazio si estenderà piattamente in tutte le direzioni.
La principale teoria sulla nascita dell’universo, nota come inflazione cosmica, produce una planarità incontaminata. E varie osservazioni dai primi anni 2000 hanno mostrato che il nostro universo è quasi piatto e deve quindi rientrare in un capello di questa densità critica – che è calcolata in circa 5,7 atomi di idrogeno di roba per metro cubo di spazio, gran parte invisibile.
Il telescopio Planck misura la densità dell’universo misurando quanto la luce CMB è stata deviata mentre attraversava l’universo negli ultimi 13,8 miliardi di anni. Più materia incontrano questi fotoni CMB durante il loro viaggio verso la Terra, più lenti gravitazionali ottengono, in modo che la loro direzione non rifletta più nitidamente il loro punto di partenza nell’universo primordiale.
Questo si presenta nei dati come un effetto sfocato, che attenua alcuni picchi e cali nel modello spaziale della luce. Secondo la nuova analisi, la grande quantità di lenti del CMB suggerisce che l’universo potrebbe essere circa il 5% più denso della densità critica, con una media di qualcosa come sei atomi di idrogeno per metro cubo invece di 5,7, in modo che la gravità prevalga e il cosmo si chiuda in se stesso.
La mappa del satellite di Planck dello sfondo cosmico a microonde – Collaborazione ESA/Planck
Gli scienziati del Planck hanno notato anni fa un effetto lente più grande del previsto; l’anomalia si è manifestata in modo più evidente nella loro analisi finale dell’intero set di dati, pubblicata nel 2018.
Se l’universo è piatto, i cosmologi si aspettano che una misurazione della curvatura rientri in circa una “deviazione standard” di zero, a causa di fluttuazioni statistiche casuali nei dati.
Ma sia il team di Planck che gli autori del nuovo documento hanno scoperto che i dati CMB deviano di 3,4 deviazioni standard. Supponendo che l’universo sia piatto, questo è un grosso colpo di fortuna, circa equivalente a lanciare una moneta 11 volte di fila ottenendo sempre testa, cosa che accade meno dell’1% delle volte.
Il team di Planck attribuisce la misurazione proprio a un tale colpo di fortuna, o a qualche effetto non considerato che offusca la luce CMB, imitando l’effetto della materia extra.
O forse l’universo è davvero chiuso.
Di Valentino e coautori sottolineano che un modello chiuso risolve altri risultati anomali nel CMB. Ad esempio, i ricercatori deducono i valori degli ingredienti chiave del nostro universo, come la quantità di materia oscura e di energia oscura, misurando le variazioni nel colore della luce CMB proveniente da diverse regioni del cielo, ma curiosamente, ottengono risposte diverse quando confrontano piccole regioni del cielo e quando confrontano grandi regioni.
Gli autori sottolineano che quando si ricalcolano questi valori assumendo un universo chiuso, non differiscono.
Will Kinney, un cosmologo dell’Università di Buffalo a New York, ha definito questo vantaggio bonus del modello dell’universo chiuso “davvero interessante“. Ma ha notato che le discrepanze tra variazioni su piccola e larga scala osservate nella luce CMB potrebbero facilmente essere fluttuazioni statistiche stesse, oppure potrebbero derivare dallo stesso errore non identificato che può influenzare la misurazione dell’obiettivo.
Ci sono solo sei di queste proprietà chiave che modellano l’universo, secondo la teoria standard della cosmologia, nota come ΛCDM (dal nome dell’energia oscura, rappresentata dalla lettera greca Λ, o lambda, e della materia oscura fredda). Con solo sei numeri, ΛCDM descrive accuratamente quasi tutte le caratteristiche del cosmo.
E ΛCDM non prevede alcuna curvatura; dice che l’universo è piatto.
Il nuovo documento sostiene efficacemente che potrebbe essere necessario aggiungere un settimo parametro a ΛCDM: un numero che descrive la curvatura dell’universo. Per la misurazione della lente, l’aggiunta di un settimo numero migliora la corrispondenza con i dati.
Ma altri cosmologi sostengono che prima di prendere un’anomalia abbastanza seriamente da aggiungere un settimo parametro alla teoria, dobbiamo prendere in considerazione tutte le altre cose che ΛCDM fa nel modo giusto.
Certo, possiamo concentrarci su questa anomalia – una moneta che esce testa 11 volte di seguito – e dire che qualcosa non va. Ma il CMB è un insieme di dati così grande che è come lanciare una moneta centinaia o migliaia di volte. Non è troppo difficile immaginare che così facendo, incontreremo una serie casuale di 11 volte testa. I fisici chiamano questo effetto “guarda altrove”.
Inoltre, i ricercatori notano che il settimo parametro non è necessario per la maggior parte delle altre misurazioni. C’è un secondo modo per ricavare la curvatura spaziale dal CMB, misurando le correlazioni tra la luce da insiemi di quattro punti nel cielo; questa misurazione di “ricostruzione lente” indica che l’universo è piatto, senza bisogno di un settimo parametro.
Inoltre, anche le osservazioni indipendenti dell’indagine BOSS sui segnali cosmologici chiamati oscillazioni acustiche bariniche indicano la planarità.
Planck, nella sua analisi del 2018, ha combinato la misurazione della lente con queste altre due misurazioni e ha ottenuto un valore complessivo per la curvatura spaziale entro una deviazione standard pari a zero.
Di Valentino, Melchiorri e Silk pensano che mettere insieme questi tre diversi set di dati mascheri il fatto che i diversi set di dati non siano effettivamente d’accordo. “Il punto qui non è che l’universo sia chiuso“, ha detto Melchiorri via e-mail. “Il problema è l’incoerenza tra i dati. Ciò indica che attualmente non esiste un modello di concordanza e che ci manca qualcosa”. In altre parole, ΛCDM è sbagliato o incompleto.
Tutti gli altri ricercatori consultati per questo articolo pensano che il peso delle prove indichi che l’universo è piatto. “Date le altre misurazioni“, ha detto Addison, “l’interpretazione più chiara di questo comportamento dei dati di Planck è che si tratta di una fluttuazione statistica. Forse è causato da qualche leggera imprecisione nell’analisi di Planck, o forse sono solo fluttuazioni di rumore o casualità. Ma in ogni caso, non c’è davvero un motivo per prendere sul serio questo modello chiuso“.
Questo non vuol dire che non manchino pezzi nel quadro cosmologico.
ΛCDM apparentemente predice il valore sbagliato per l’attuale tasso di espansione dell’universo, causando una controversia nota come problema della costante di Hubble. Ma supporre che l’universo sia chiuso non risolve questo problema: infatti, l’aggiunta della curvatura peggiora la previsione del tasso di espansione. A parte la misurazione della lente anomala di Planck, non c’è motivo di pensare che l’universo sia chiuso.
“Il tempo lo dirà, ma personalmente non sono terribilmente preoccupato per questo“, ha detto Kinney, riferendosi al suggerimento di curvatura nei dati CMB. “È di un tipo con anomalie simili che si sono rivelate essere vapore“.
Nel frattempo, dopo la stesura di questo articolo, nuove misurazioni del fondo cosmico a microonde effettuate dall’Atacama Cosmology Telescope hanno rivelato che l’universo è piatto, con una densità che corrisponde alla densità critica.
“Non troviamo prove di deviazione dalla planarità“, scrivono gli scienziati di ACT, “a sostegno dell’interpretazione che la [deviazione osservata da Planck] sia una fluttuazione statistica“.
