L’Universo ha una direzione?

L'universo non sta ruotando o allungandosi in una direzione particolare. Guardando il cielo notturno, vediamo un universo grumoso: i pianeti orbitano attorno alle stelle nei sistemi solari e le stelle sono raggruppate in galassie, che a loro volta formano enormi ammassi di galassie. Ma i cosmologi presumono che questo effetto sia solo locale: che se osserviamo su scale sufficientemente grandi, l'universo è in realtà uniforme

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L'Universo ha una direzione? Espansione dell'Universo

L’universo non sta ruotando o allungandosi in una direzione particolare, secondo il test più rigoroso effettuato finora. Guardando il cielo notturno, vediamo una struttura grumosa: i pianeti orbitano attorno alle stelle nei sistemi solari e le stelle sono raggruppate in galassie, che a loro volta formano enormi ammassi di galassie. Ma i cosmologi presumono che questo effetto sia solo locale: che se osservassimo su scale sufficientemente grandi, l’universo apparirebbe in realtà uniforme.

La stragrande maggioranza dei calcoli fatti  inizia con il presupposto che l’universo è sostanzialmente lo stesso, qualunque sia la tua posizione e in qualunque direzione guardi.

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Se, tuttavia, l’universo si estendesse preferenzialmente in una direzione, o ruotasse attorno a un asse in modo simile alla rotazione della Terra, questo assunto fondamentale, e tutti i calcoli che vi si basano, sarebbero errati.

Gli scienziati dell’University College di Londra e dell’Imperial College di Londra hanno sottoposto questa ipotesi al test più rigoroso fino ad ora e hanno trovato solo una possibilità su 121.000 che l’universo non sia lo stesso in tutte le direzioni.



La luce più antica dell’universo

Per fare ciò, hanno utilizzato mappe della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB): la luce più antica dell’universo creata poco dopo il Big Bang. Le mappe sono state prodotte utilizzando misurazioni della CMB effettuate tra il 2009 e il 2013 dal satellite Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, fornendo un’immagine dell’intensità e, per la prima volta, della polarizzazione (in sostanza, l’orientamento) della CMB attraverso l’intero cielo.

In precedenza, gli scienziati avevano cercato modelli nella mappa CMB che potessero suggerire un universo rotante. Il nuovo studio ha preso in considerazione la gamma più ampia possibile di universi con direzioni o spin preferiti e ha determinato quali modelli questi avrebbero creato nel CMB.

Un universo che ruota attorno a un asse, ad esempio, creerebbe schemi a spirale, mentre se si espandesse a velocità diverse lungo assi diversi creerebbe macchie di punti caldi e freddi allungati.

Il dottor Stephen Feeney, del Dipartimento di Fisica dell’Imperial, ha lavorato con un team guidato da Daniela Saadeh dell’University College di Londra per cercare questi modelli nel CMB osservato. I risultati, pubblicati sulla rivista Physical Review Letters, mostrano che nessuno corrisponde e che l’universo è, molto probabilmente, senza direzione.

La cosmologia è sicura

Il dottor Feeney ha dichiarato: “Questo lavoro è importante perché mette alla prova uno dei presupposti fondamentali su cui si basano quasi tutti i calcoli cosmologici: che l’universo è lo stesso in ogni direzione. Se questo presupposto è sbagliato e ruotasse o si allungasse in una direzione più che in un’altra, dovremmo ripensare alla nostra immagine di base dell’universo”.

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“Abbiamo sottoposto questa ipotesi al suo esame più rigoroso, testando un’enorme varietà di universi rotanti e allungati che non sono mai stati considerati prima. Quando confrontiamo queste previsioni con le ultime misurazioni del satellite Planck, troviamo prove schiaccianti che l’universo è lo stesso in tutte le direzioni.

L’autrice principale Daniela Saadeh dell’University College di Londra ha aggiunto: “Non puoi mai escluderlo completamente, ma ora calcoliamo le probabilità che l’Universo preferisca una direzione rispetto a un’altra a solo 1 su 121.000. Siamo molto lieti che il nostro lavoro dimostri ciò che più presumono i cosmologi. Per ora, la cosmologia è al sicuro”.

Il fondo cosmico a microonde (CMB)

Il fondo cosmico a microonde ( CMB o CMBR ) è la radiazione a microonde che riempie tutto lo spazio nell’universo osservabile. È un residuo che fornisce un’importante fonte di dati sull’universo primordiale. Con un telescopio ottico standard, lo spazio di fondo tra le stelle e le galassie è quasi completamente buio. 

Tuttavia, un radiotelescopio sufficientemente sensibile rileva un debole bagliore di fondo che è quasi uniforme e non è associato ad alcuna stella, galassia o altro oggetto. Questo bagliore è più forte nella regione delle microonde dello spettro radio. La scoperta accidentale della CMB nel 1965 da parte dei radioastronomi americani Arno Penzias e Robert Wilson fu il culmine del lavoro iniziato negli anni ’40.

La CMB è una prova fondamentale della teoria del Big Bang per l’origine dell’universo. Nei modelli cosmologici del Big Bang, durante i primi periodi, l’universo era pieno di una nebbia opaca di plasma denso e caldo di particelle subatomiche. Man mano che l’universo si espandeva, questo plasma si raffreddava al punto in cui protoni ed elettroni si combinavano per formare atomi neutri composti principalmente da idrogeno. 

A differenza del plasma, questi atomi non potevano diffondere la radiazione termica mediante lo scattering Thomson, e così l’universo divenne trasparente. 

Conosciuto come l’epoca della ricombinazione, questo evento di disaccoppiamento rilasciò i primi fotoni che viaggiavano liberamente attraverso lo spazio, a volte indicato come radiazione relitta

Tuttavia, questi fotoni sono diventati meno energetici a causa dello spostamento verso il rosso cosmologico associato all’espansione dell’universo. La superficie dell’ultima diffusione si riferisce ad un guscio alla giusta distanza nello spazio in modo che ora vengano ricevuti i fotoni originariamente emessi al momento del disaccoppiamento.

La CMB non è completamente liscia e uniforme, mostrando una debole anisotropia che può essere mappata da rilevatori sensibili. Per misurare queste disomogeneità di temperatura sono stati utilizzati esperimenti terrestri e spaziali come COBE e WMAP.

La struttura dell’anisotropia è determinata da varie interazioni di materia e fotoni fino al punto di disaccoppiamento, che si traduce in un caratteristico modello grumoso che varia con la scala angolare. 

La distribuzione dell’anisotropia nel cielo ha componenti di frequenza che possono essere rappresentate da uno spettro di potenza che mostra una sequenza di picchi e valli. I valori di picco di questo spettro contengono informazioni importanti sulle proprietà fisiche dell’universo primordiale: il primo picco determina la curvatura complessiva dell’universo, mentre il secondo e il terzo picco dettagliano rispettivamente la densità della materia normale e della cosiddetta materia oscura. 

Estrarre dettagli fini dai dati della CMB può essere difficile, poiché l’emissione ha subìto modifiche da caratteristiche in primo piano come gli ammassi di galassie.

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