La topologia dell’Universo è difficile da definire?

L’Universo è semplicemente connesso come una sfera o contiene buchi come una ciambella o una struttura più complicata? Secondo una collaborazione tra cosmologi, la sua geometria complessiva rimane lungi dall’essere definita.

La geometria complessiva dell’Universo è stata determinata dai processi quantistici?

Nonostante le affermazioni passate secondo cui le osservazioni del fondo cosmico a microonde (CMB) escludono varie topologie, i ricercatori sostengono che molte di queste forme, comprese alcune insolite, non sono state contraddette dalle prove.

Si ritiene che la geometria complessiva dell’Universo sia stata determinata dai processi quantistici che si sono verificati nel momento iniziale del big bang. Identificare la sua topologia fornirebbe ai ricercatori un indizio importante sulla natura di questi processi quantistici e potrebbe aiutarli a vagliare le numerose teorie proposte sull’Universo primordiale.

Una data topologia descrive la connessione dello spazio-tempo. Tra le topologie non banali che l’Universo potrebbe concepibilmente possedere c’è il 3-toro. Per immaginarne uno, sarebbe necessario distorcere un cubo piegando una coppia di lati opposti finché non sono uno di fronte all’altro per poi incollarli insieme.

Quindi bisogna immaginare lo stesso procedimento per le altre due coppie. Una linea di vista dal centro del cubo che prima andava all’infinito ora ritornerebbe al centro del cubo attraverso un circuito chiuso.

Lo studio

I circuiti chiusi sono presenti anche in altre topologie che potrebbero descrivere l’Universo e potrebbero portare a un’illusione ottica: l’osservazione della stessa parte del Cosmo in diverse parti del cielo. Esistono tuttavia scale di lunghezza associate a ciascuna topologia, il diametro di un circuito chiuso, ad esempio, e se le scale di lunghezza sono troppo grandi, potrebbero non essere possibili visualizzazioni multiple dello stesso quartiere cosmico.

L’illusione potrebbe non apparire perché potrebbe non esserci stato abbastanza tempo dal big bang perché parte della luce ci raggiungesse. In altre parole, le scale di lunghezza possono superare l’“orizzonte CMB”, la distanza dalla sorgente della luce più antica che possiamo vedere.

Le mappe dell’intero cielo della CMB negli ultimi decenni hanno fornito viste dettagliate dell’Universo giovane ma nessun segno di schemi ripetitivi (correlazioni) che potrebbero segnalare circuiti chiusi. La ricerca sulla sua topologia nella CMB appariva poco promettente, se non addirittura conclusa, già dieci anni fa.

Nel 2023 un gruppo internazionale di cosmologi che si autodefinisce COMPACT Collaboration ha rilanciato la ricerca. Ora, nella prima pubblicazione di COMPACT, i ricercatori hanno mostrato che alcune topologie esotiche sono in realtà coerenti con le osservazioni della CMB e che, in effetti, finora è stata esplorata solo una piccola parte delle possibili topologie.

Piuttosto che considerare tutte le 18 topologie matematicamente possibili dello spazio euclideo (piatto), la Collaborazione COMPACT ha scelto di concentrarsi sul 3-toro, chiamato E 1 , e due delle sue estensioni, E 2 (una versione ritorta di 180° di E 1 ) e E 3 (una versione ritorta a 90° di E 1 ). Il loro ragionamento: se anche queste topologie relativamente semplici non vengono escluse, è probabile che anche altre più complicate rimangano contendenti.

Conclusioni

Secondo i calcoli della collaborazione, il 3-toro E 1 è escluso dalle attuali osservazioni se la sua scala caratteristica è inferiore all’orizzonte della CMB, come previsto, ma si è scoperto che E 2 ed E 3 rimangono in gioco anche se le loro scale sono molto più corte dell’orizzonte della CMB.

Questo perché la loro connessione comporta colpi di scena. Una regione dell’Universo vista attraverso un circuito chiuso e ritorto produrrebbe due visioni di se stessa che sarebbero diverse ma rimarrebbero correlate. Determinare se tali correlazioni producano un’impronta topologica rilevabile nella CMB è il prossimo obiettivo della collaborazione.

Il cosmologo Oliver Philcox della Columbia University ha concordato sul fatto che la topologia dell’Universo rimane una questione aperta: “Ci sono molti modi possibili in cui l’Universo potrebbe essere topologicamente connesso, ed è difficile escluderli”.