La topologia cosmica esotica può spiegare le anomalie del cosmic microwave background?

In un nuovo studio pubblicato su Physical Review Letters ( PRL ), gli scienziati hanno esplorato la possibilità di topologia cosmica esotica o non banale nell’Universo per spiegare alcune delle anomalie osservate nel cosmic microwave background (CMB).

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Cos’è la topologia cosmica esotica o non banale?

Il nostro modello cosmologico dell’Universo, basato sulla meccanica quantistica e sulla relatività generale, si occupa della geometria dell’Universo influenzata dalla materia e dall’energia, che per la maggior parte degli scopi è considerata piatta.

Non dice nulla però sulla topologia dell’Universo stesso: è infinito, ha dei circuiti, ecc. Lo studio PRL si è concentrato su questo aspetto e se i modelli e i dati attuali consentono la presenza di una topologia cosmica esotica o non banale.

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La ricerca è stata svolta nell’ambito della collaborazione COMPACT composta da un team internazionale di scienziati. Uno dei coautori dello studio è il prof. Glenn D. Starkman della Case Western Reserve University in Ohio, negli Stati Uniti.

Discutendo la sua motivazione a perseguire questo lavoro, ha detto: “La possibilità che l’Universo abbia una topologia cosmica esotica rientra interamente nel nostro Modello Standard della fisica, ma è comunque generalmente considerata esotica appunto“.

Lo studio

Ho temuto a lungo che, guardando dall’altra parte, avremmo perso una scoperta straordinaria sul nostro Universo. Nel frattempo, ci sono prove crescenti che esso non è ‘statisticamente isotropo’, cioè che la fisica è la stessa in tutte le direzioni. La topologia cosmica esotica è un modo molto naturale per l’anisotropia di insinuarsi nel nostro Universo“.

La CMB è un tipo di radiazione appartenente allo spettro delle microonde. Prevista negli anni ’40 del secolo scorso come residuo del Big Bang, è stata scoperta per caso nel 1965.

Dopo il Big Bang, che è il modo in cui è nato l’Universo attuale, non c’era altro che un brodo di particelle e gas fondamentali a temperature e pressioni estremamente elevate, spesso definito brodo primordiale.

Man mano che l’Universo si è espanso, si è anche raffreddato. Questo ha portato le particelle fondamentali a combinarsi per formare atomi. Fino a quel momento, i fotoni hanno interagito con queste particelle fondamentali e si sono diffusi, impedendo loro di viaggiare liberamente, ma una volta che gli atomi hanno iniziato a formarsi, i fotoni hanno viaggiato più liberamente, circa 380.000 anni dopo il Big Bang.

Questo ha segnato la propagazione della CMB, che è considerata un “bagliore residuo” del Big Bang. Contiene informazioni importanti sull’Universo primordiale e sui successivi processi che hanno portato alla formazione di strutture su larga scala come stelle e galassie.

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La CMB è presente ovunque e, per la maggior parte, ha una temperatura uniforme. Tuttavia, ci sono piccole fluttuazioni e anomalie nei dati della CMB che non sono state spiegate.I ricercatori dello studio PRL hanno ipotizzato che queste fluttuazioni e anomalie nelle misurazioni della CMB possano essere spiegate considerando una topologia cosmica esotica, il che significa che non dobbiamo considerare l’Universo “piatto“.

La topologia è una branca della matematica che si occupa della forma e della struttura degli oggetti. Le regole della topologia sono molto diverse dalle regole della geometria. Mentre geometria e topologia sono concetti distinti, la geometria influenza la topologia.

La geometria definisce il modo in cui lo spazio è curvo (lo spaziotempo è considerato piatto su piccola scala) e la topologia cosmica definisce la connettività complessiva dello Spazio.

Se dovessimo avere uno Spazio piatto, non potremmo avere una topologia cosmica in cui lo Spazio curva verso l’interno o presenta anelli. Questo significa che per viaggiare tra due punti, dovremmo prendere un percorso in linea retta senza deviazioni o anelli.

Il Prof. Starkman ha spiegato: “L’Universo potrebbe essere come un videogioco dei vecchi tempi, in cui lasciando il lato destro dello schermo ti vedresti apparire da sinistra, in modo da poter tornare al punto di partenza seguendo un percorso in linea retta. Questo si chiama essere connessi in modo multiplo“.

In sostanza, il percorso in linea retta suggerisce che, nonostante l’apparenza di movimento continuo, la topologia cosmica sottostante dello Spazio consente una connettività inaspettata, dove quella che sembra una traiettoria lineare può in realtà ritornare su se stessa.

Il nostro Universo non era vuoto, nemmeno prima del Big Bang, topologia cosmica esotica

Se l’Universo fosse “molteplicamente connesso” (cioè avesse una topologia non banale), osserveremmo cerchi di temperatura corrispondenti. Questo perché la luce che viaggia da una sorgente (come una stella) potrebbe viaggiare lungo due percorsi diversi e arrivare all’osservatore (la Terra) da due direzioni.

Questo lascia fluttuazioni di temperatura simili su una mappa CMB (o mappa di calore), risultando in cerchi di temperatura corrispondenti. Tuttavia, non ci sono prove che suggeriscano la presenza di questi cerchi di temperatura abbinati.

La mancanza di cerchi di temperatura corrispondenti è ciò che ci dice sulla lunghezza del circuito chiuso più breve che ci attraversa, ma non ci dice sulla lunghezza dei circuiti che attraversano altri luoghi“, ha affermato il Prof. Starkman.

L’assenza di cerchi di temperatura corrispondenti nei dati della CMB suggerisce che se esiste una topologia cosmica non banale, i cerchi che attraversano la nostra posizione (la Terra) devono essere relativamente piccoli.

Questo pone un limite alla lunghezza di questi cicli. Il professor Starkman ha spiegato: “Se le anomalie della CMB sono dovute alla topologia cosmica, allora la lunghezza dei circuiti più brevi che ci attraversano non dovrebbe essere più lunga del 20-30% circa rispetto al diametro dell’ultima superficie di diffusione: una sfera con un raggio pari alla distanza percorsa dalla luce nella storia dell’Universo”.

Conclusioni

Alla luce del vincolo di cui sopra e della ricerca di una topologia cosmica non banale, i ricercatori hanno proposto ulteriori modi per rilevare tale topologia in futuro. In particolare, menzionano alterazioni nei modelli statistici delle fluttuazioni di temperatura nei dati della CMB, nonché nella struttura su larga scala dell’Universo. Queste fluttuazioni o alternanze verrebbero alla luce se fosse presente una topologia cosmica  non banale.

Spazio e Tempo hanno un'origine quantistica?, topologia cosmica esotica

Questi rilevamenti però richiedono un’enorme potenza computazionale e i ricercatori suggeriscono l’uso di algoritmi di apprendimento automatico per accelerare i calcoli e l’estrazione dei dati CMB per rilevare una topologia cosmica non banale.

La ricerca della topologia sarà rinnovata dopo una pausa di circa un decennio. Se tutto va bene, riusciremo a rilevare la topologia cosmica e quindi comprendere l’origine dell’anisotropia del nostro Universo e dare uno sguardo ai processi responsabili dell’emergere originale del nostro Cosmo“, ha concluso il Prof. Starkman.

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