Rilevata asimmetria nella distribuzione delle galassie. Potremmo dover rivedere alcune nostre idee sul Big Bang

Due nuovi studi suggeriscono che alcune disposizioni tetraedriche delle galassie sono più numerose delle loro immagini speculari, riflettendo potenzialmente un'asimmetria nei dettagli della nascita dell'universo. Ma serve una conferma

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Rilevata asimmetria nella distribuzione delle galassie. Potremmo dover rivedere Alcune nostre idee sul Big Bang
Rilevata asimmetria nella distribuzione delle galassie. Potremmo dover rivedere Alcune nostre idee sul Big Bang

Sembra sia stata rilevata una sorprendente asimmetria nella disposizione delle galassie nel cielo. Se confermata, la scoperta indicherebbe caratteristiche delle leggi fondamentali sconosciute che hanno operato durante il Big Bang.

Se questo risultato è reale, qualcuno riceverà un premio Nobel“, ha detto Marc Kamionkowski, un fisico della Johns Hopkins University che non è stato coinvolto nell’analisi.

Come se giocassero a un gioco cosmico di Unisci i punti, i ricercatori hanno tracciato linee tra insiemi di quattro galassie, costruendo forme a quattro angoli chiamate tetraedri. Quando hanno costruito ogni possibile tetraedro da un catalogo di 1 milione di galassie, hanno scoperto che i tetraedri orientati in un modo sono più numerosi delle loro immagini speculari.

Il possibile squilibrio tra i tetraedri e le loro immagini speculari è stato segnalato per la prima volta da Oliver Philcox, un astrofisico della Columbia University di New York, in un articolo pubblicato su Physical Review D a settembre. In un’analisi indipendente condotta simultaneamente e ora in fase di revisione tra pari, Jiamin Hou e Zachary Slepian dell’Università della Florida e Robert Cahn del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno rilevato l’asimmetria con un livello di certezza statistica che i fisici di solito considerano definitivo.

Ma con una tale scoperta di successo – e che è ancora in fase di revisione – gli esperti dicono che la cautela è giustificata.

Non c’è alcuna ragione ovvia per cui potremmo avere commesso un errore“, ha detto Shaun Hotchkiss, cosmologo dell’Università di Auckland. “Questo non significa che non ci sia un errore“.



Il presunto squilibrio viola una simmetria chiamata “parità”, un’equivalenza di destra e sinistra. Se l’osservazione resiste a un esame accurato, i fisici pensano che debba riflettere un ingrediente sconosciuto che viola la parità nel processo primordiale che ha gettato i semi di tutta la struttura che si è sviluppata nel nostro universo.

È un risultato incredibile, davvero impressionante“, ha detto Kamionkowski. “Ci credo? Aspetterò per festeggiare davvero”.

Universo mancino

La parità una volta era una cara simmetria della fisica. Ma poi, nel 1957, gli esperimenti sul decadimento nucleare del fisico cinese-americano Chien-Shiung Wu rivelarono che il nostro universo ha davvero una leggera manualità: le particelle subatomiche coinvolte nella forza nucleare debole, che causa il decadimento nucleare, sono sempre orientate magneticamente nella direzione opposta da quella in cui si muovono, in modo che si muovano a spirale come i fili di una vite sinistrorsa. Le particelle dell’immagine speculare – quelle come viti destrorse – non sentono la forza debole.

La rivelazione di Wu è stata scioccante. “Siamo tutti piuttosto scossi dalla morte del nostro amato amico, parità“, ha scritto il fisico John Blatt in una lettera a Wolfgang Pauli.

Il mancinismo della forza debole ha effetti sottili che non avrebbero potuto influenzare il cosmo su scala galattica. Ma sin dalla scoperta di Wu, i fisici hanno cercato altri modi in cui l’universo differisce dalla sua immagine speculare.

Se, per esempio, una violazione della parità primordiale fosse stata in atto quando l’universo era nella sua infanzia, avrebbe potuto imprimere una svolta alla struttura del cosmo.

Al momento della nascita dell’universo o in prossimità di essa, si pensa che un campo noto come inflaton abbia permeato lo spazio. Un mezzo torbido e bollente in cui le particelle di ribollivano continuamente e scomparivano, il campo di dilatazione era repulsivo; per il breve periodo in cui potrebbe essere esistito, avrebbe causato la rapida espansione del nostro universo fino a 100 trilioni di trilioni di volte la sua dimensione originale. Tutte quelle fluttuazioni quantistiche di particelle nel campo di inflazione sono state scagliate verso l’esterno e congelate nel cosmo, diventando variazioni nella densità della materia. Le sacche più dense hanno continuato a fondersi gravitazionalmente per produrre le galassie e la struttura su larga scala che vediamo oggi.

Nel 1999, ricercatori tra cui Kamionkowski hanno considerato cosa sarebbe successo se prima di questa esplosione fosse stato presente più di un campo. Il campo di gonfiaggio potrebbe aver interagito con un altro campo che potrebbe produrre particelle destrorse e sinistrorse. Se l’inflaton trattava le particelle destrorse in modo diverso rispetto a quelle mancine, allora avrebbe potuto preferenzialmente creare particelle di un senso piuttosto che dell’altro. Questo cosiddetto accoppiamento Chern-Simons avrebbe impregnato le prime fluttuazioni quantistiche con una manualità preferita, che si sarebbe evoluta in uno squilibrio di disposizioni tetraedriche sinistrorse e destrorse delle galassie.

Per quanto riguarda quale potrebbe essere il campo aggiuntivo, una possibilità è il campo gravitazionale. In questo scenario, si verificherebbe un’interazione di Chern-Simons che viola la parità tra le particelle di inflaton e i gravitoni – le unità quantistiche di gravità – che sarebbero apparse nel campo gravitazionale durante l’inflazione. Tale interazione avrebbe creato una manualità nelle variazioni di densità dell’universo primordiale e, di conseguenza, nell’odierna struttura su larga scala.

UniverseStructureSlice byDanielEisenstein SDSS IIICollaboration
Ogni punto in questa immagine, che copre circa un ventesimo del cielo, rappresenta la posizione di una galassia mappata dallo Sloan Digital Sky Survey e dal suo Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. Un’analisi statistica di 1 milione di galassie nel sondaggio ha trovato prove di violazione della parità. Collaborazione Daniel Eisenstein/SDSS-III

introduzione

Nel 2006, Stephon Alexander, un fisico ora alla Brown University, ha suggerito che la gravità di Chern-Simons potrebbe anche potenzialmente risolvere uno dei più grandi misteri della cosmologia: perché il nostro universo contiene più materia che antimateria. Ha ipotizzato che l’interazione Chern-Simons avrebbe potuto produrre una relativa abbondanza di gravitoni mancini, che a loro volta avrebbero creato preferenzialmente materia mancina rispetto all’antimateria destrorsa.

L’idea di Alexander è rimasta relativamente oscura per anni. Quando ha saputo delle nuove scoperte, ha detto, “è stata una grande sorpresa“.

Tetraedri nel cielo

Cahn pensava che la possibilità di risolvere il puzzle dell’asimmetria materia-antimateria con la violazione della parità nell’universo primordiale fosse “speculativa, ma anche provocatoria“. Nel 2019, ha deciso di cercare la violazione della parità in un catalogo di galassie nello Sloan Digital Sky Survey. Non si aspettava di trovare qualcosa ma pensava che valesse la pena controllare.

Per verificare se la distribuzione delle galassie rispetta o viola la parità, lui ed i suoi collaboratori sapevano di dover studiare la disposizione tetraedrica di quattro galassie. Questo perché il tetraedro è la forma tridimensionale più semplice e solo gli oggetti 3D hanno la possibilità di violare la parità. Per capirlo, considera le tue mani. Poiché le mani sono 3D, non c’è modo di ruotarne una a sinistra per farla sembrare una destra. Capovolgi la mano sinistra in modo che i pollici di entrambe le mani siano a sinistra e le tue mani avranno ancora un aspetto diverso: i palmi sono rivolti in direzioni opposte. Al contrario, se tracci una mano sinistra su un foglio di carta e ritagli l’immagine 2D, capovolgendo il ritaglio sembrerà una mano destra. Il ritaglio e la sua immagine speculare sono indistinguibili.

Nel 2020, Slepian e Cahn hanno escogitato un modo per definire la “mano” di una disposizione tetraedrica di galassie per confrontare il numero di mancini e destrimani nel cielo. Per prima cosa hanno preso una galassia e hanno osservato le distanze di altre tre galassie. Se le distanze aumentavano in senso orario come una vite destrorsa, chiamavano il tetraedro destrorso. Se le distanze aumentavano andando in senso antiorario, era mancino.

TETRAHEDRON FIGUREbyMerrillSherman 560 Mobile
Il tetraedro è la forma più semplice che ha parità o manualità. Sembra diverso se riflesso in uno specchio. Rivista Merrill Sherman/Quanta

Per determinare se l’universo nel suo insieme ha una manualità preferita, hanno dovuto ripetere l’analisi per tutti i tetraedri costruiti dal loro database di 1 milione di galassie. Ci sono quasi 1 trilione di trilioni di tali tetraedri: un elenco intrattabile da gestire uno alla volta. Ma un trucco di factoring sviluppato in un lavoro precedente su un problema diverso ha permesso ai ricercatori di osservare la parità dei tetraedri in modo più olistico: invece di assemblare un tetraedro alla volta e determinarne la parità, hanno potuto prendere ciascuna galassia a turno e raggruppare tutte le altre galassie in base alle loro distanze da quella galassia, creando strati come gli strati di una cipolla. Esprimendo le posizioni relative delle galassie in ogni strato in termini di funzioni matematiche degli angoli chiamate armoniche sferiche, hanno potuto combinare sistematicamente insiemi di tre strati per creare tetraedri collettivi.

I ricercatori hanno quindi confrontato i risultati con le loro aspettative sulla base delle leggi della fisica che preservano la parità che hanno guidato questo passaggio, analizzando falsi cataloghi di galassie che erano stati generati simulando l’evoluzione dell’universo a partire da minuscole variazioni di densità che preservano la parità. Da questi finti cataloghi, Hou e i suoi colleghi hanno potuto determinare in che modo varia casualmente il conteggio dei tetraedri mancini e destrorsi, anche in un mondo a simmetria speculare.

Il team ha trovato un livello di violazione della parità “sette sigma” nei dati reali, il che significa che lo squilibrio tra i tetraedri della mano sinistra e della mano destra era sette volte maggiore di quanto ci si poteva aspettare dal caso e da altre possibili fonti di errore.

Kamionkowski ha definito “incredibile che siano stati in grado di farlo”, aggiungendo che “tecnicamente, è assolutamente sbalorditivo. È un’analisi davvero, davvero, davvero complicata”.

Philcox ha utilizzato metodi simili (ed è stato coautore di alcuni articoli precedenti che proponevano un’analisi del genere con Hou, Slepian e Cahn), ma ha fatto alcune scelte diverse, ad esempio raggruppando le galassie in un minor numero di strati rispetto a Hou e colleghi e omettendo alcuni tetraedri problematici dall’analisi – e quindi ha riscontrato una più modesta violazione della parità di 2,9 sigma. I ricercatori stanno ora studiando le differenze tra le loro analisi. Anche dopo lunghi sforzi per comprendere i dati, tutte le parti rimangono caute.

Prove corroboranti

La sorprendente scoperta suggerisce una nuova fisica che potrebbe potenzialmente rispondere a domande di vecchia data sull’universo. Ma il lavoro è appena iniziato.

Per prima cosa i fisici devono verificare (o falsificare) l’osservazione. Sono già in corso nuove, ambiziose survey di galassie sulle quali ripetere l’analisi. L’indagine in corso del Dark Energy Spectroscopic Instrument, ad esempio, ha registrato finora 14 milioni di galassie e ne conterrà più di 30 milioni quando sarà completata. “Questo ci darà l’opportunità di esaminare la questione in modo molto più dettagliato con statistiche molto migliori“, ha affermato Cahn.

RobertsQuartet byESO
Una disposizione tetraedrica di galassie nota come Quartetto di Robert. ESO

introduzione

Inoltre, se il segnale di violazione della parità fosse reale, potrebbe apparire in dati diversi dalla distribuzione delle galassie. La luce più antica del cielo, ad esempio, un bagno di radiazione noto come fondo cosmico a microonde, residuo dell’universo primordiale, fornisce la nostra prima istantanea delle variazioni spaziali nel cosmo. Lo schema screziato di questa luce dovrebbe contenere le stesse correlazioni di violazione della parità delle galassie che si sono formate in seguito. I fisici dicono che dovrebbe essere possibile trovare un tale segnale nella luce.

Un altro posto dove guardare sarà il modello delle onde gravitazionali che potrebbero essere state generate durante l’inflazione, chiamato sfondo di onde gravitazionali stocastiche. Queste increspature simili a cavatappi nel tessuto spazio-temporale possono essere destrorse o mancine e, in un mondo che preserva la parità, conterrebbero quantità uguali di ciascuna. Quindi, se i fisici riescono a misurare questo background e scoprono che è favorito l’uso di una mano sola, questo sarebbe un controllo inequivocabile e indipendente della fisica che viola la parità nell’universo primordiale.

Quando inizierà la ricerca di prove corroboranti, i teorici studieranno i modelli di inflazione che potrebbero aver prodotto il segnale. Con Giovanni Cabass, un fisico teorico presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, Philcox ha recentemente utilizzato la sua misurazione per testare una serie di modelli di inflazione che violano la parità, compresi quelli del tipo Chern-Simons (non possono ancora dire con certezza quale modello, se esiste, sia corretto).

Alexander ha anche riorientato i suoi sforzi sulla comprensione della gravità di Chern-Simon. Con collaboratori tra cui Kamionkowski e Cyril Creque-Sarbinowski del Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute, Alexander ha iniziato a elaborare sottili dettagli su come la gravità di Chern-Simons nell’universo primordiale avrebbe influenzato la distribuzione delle galassie odierne.

Sono stato un po’ come un soldato solitario nello spingere queste analisi“, ha detto. “È bello vedere che le persone si interessano“.

Fonte: Quanta Magazine

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